利用临床级生命体征AFE进行疾病预测

生理生命体征作为人类健康指标的重要性，对于医学专业人员早有认知，而目前的新冠疫情更是提高了公众对该重要性的认识。不过遗憾的是，目前大多数正在接受持续生命体征监测的人，似乎都是已经正在接受疾病临床治疗的病人。然而，对于未来医疗保健模式而言，可不是将生命体征作为疾病治疗和患者康复有效性的指标，而是将远程连续的生命体征监测作为识别潜在疾病发病指标的工具，这样，临床医生就可以在严重疾病病发之前尽早进行干预。根据设想，随着临床级传感器集成的不断发展，最终将能够开发支持定期处理和更换(如隐形眼镜)的一次性、可穿戴的生命体征健康贴片。

图1：护士记录医院患者的生命体征。(资料来源：Shutterstock)

虽然目前许多健身用途的可穿戴设备也具有生命体征测量功能，但其读数完整性会受到质疑，原因包括所用传感器的质量(大多数不是临床级)、传感器的安装位置以及佩戴时身体的有效接触质量。对非健康专业人员来说，通过使用这些方便舒适的可穿戴设备，虽然已足以满足随时自我观察的需求，但对于经过培训的专业医疗人员以及正确评估个人健康和做出正确诊断而言，这些监测数据并不符合所需的性能和准确性标准。另一方面，目前用于在较长时间间隔内提供临床级生命体征观察的设备，体积庞大、使用起来也不太舒服、且便携性也较差。

本文中介绍了四项生命体征测量的临床意义，包括血氧饱和度(SpO2)、心率(HR)、心电图(ECG)和呼吸频率(RR)；并介绍了每项测量的临床级读数的最佳传感器类型，同时还指出了目前测量解决方案的缺点，最终引入将三个独立生物传感器功能集成到一个独立封装中的高集成度医疗传感器AFE。

SpO2

健康人的SpO2水平通常在95-100%之间。然而，当一个人的SpO2值低于93%或更低时，可能意味着呼吸受阻(这也是新冠患者的常见症状)，该指标是医学专业人员定期监测的重要生命体征。光电体积扫描(PPG)是一种光学测量技术，它使用多个LED发射器照亮皮肤表面下的血管，并使用光电二极管接收器检测反射回来的光信号，并据此计算SpO2。虽然PPG光信号已成为许多腕带式可穿戴设备的常见功能，但PPG光信号容易受到运动伪影和环境照明瞬态变化的干扰，这可能导致虚假读数，这意味着这些设备无法提供临床级测量结果。在临床上，SpO2测量用的是佩戴在手指上面的脉搏血氧仪(见图2)，通常该血氧仪与患者的静止手指保持连续接触。虽然已有安装电池的便携式版本，但仅适用于进行间歇测量。

图2：指戴式脉搏血氧仪测量SpO2。(来源：Shutterstock)

HR和ECG

正常心率(HR)通常被认为在每分钟60-100次，但每次心跳之间的时间间隔并非恒定的，通常这被称为心率变异性(HRV)，故正确的HR读数应该是在几个心跳周期内测量的平均值。

对于健康人来说，心率和脉搏率几乎相同，因为每次收缩心肌时，血液都被泵送到全身。然而，一些严重的心脏疾病会导致心率和脉搏率不同。例如，在心房颤动(Afib)等心律失常的情况下，并非心脏内的每一次肌肉收缩都会将血液泵送至全身，相反，血液会积聚在心脏本身的腔室中，这可能会危及生命。Afib的检测很困难，因为它有时会间歇性发生，并且发生的时间常常是短暂的瞬间。根据世界卫生组织的数据，40岁以上人群的中风，有四分之一是由Afib引起的，此数据充分证明了能够检测和治疗这种疾病的重要性。

由于PPG传感器进行光学测量时，需要假设HR与脉冲率相同，故不能用来检测Afib。该检测要求在较长的时间内连续记录心脏的电活动，即通常所说的心电图。最常见的临床级便携式心电图监测用的是Holter监护仪(图3)。虽然这类监护仪使用的电极更少，但临床使用的静态心电图监护仪，佩戴起来可能有些过于笨重和不舒服，尤其是在睡觉时。

图3：用于心电图连续监测的Holter监护仪。(来源：Shutterstock)

RR 

大多数健康人的呼吸频率为每分钟12-20次。如果RR指标每分钟超过30次，可能是因为发烧或其他原因引起的呼吸急迫。虽然一些可穿戴解决方案利用加速计或PPG技术可以推断RR，但RR的临床级测量使用ECG信号中包含的信息，或使用生物阻抗(BioZ)传感器来执行，该传感器使用连接到患者身体的两个或多个电极来表征皮肤的电阻抗。对于一些高端健康和健身穿戴设备来说，虽然采用了FDA批准的ECG功能，但通常不会提供生物阻抗传感功能，因为它需要包含单独的BioZ传感器IC。除了RR之外，BioZ传感器还支持生物电阻抗分析(BIA)和生物电阻抗谱(BIS)，这两种方法都用于测量人体肌肉、脂肪和含水成分。BioZ传感器还可以实现阻抗心动描记术(ICG)，并用于测量可作为压力的有用指标的皮肤电反应(GSR)。

三合一传感器解决方案

图4所示为临床级生命体征AFE IC的功能框图，该IC将三个传感器(PPG、ECG和BioZ)功能集成到一个封装中。

图4:MAX86178超低功耗三合一临床级生命体征AFE。(来源：ADI)

其双通道PPG光学数据采集系统，支持多达6个LED和4路带有由两个大电流8位LED驱动器编程LED的光电二极管输入。接收路径有两路低噪声、高分辨率读取通道，每个通道都有独立的20位ADC和环境光消除电路，在120Hz频率上提供超过90dB的环境抑制。PPG信通道的信噪比高达113dB，故可以支持SpO2测量，消耗电流仅为16µA。

ECG通道是一个完整的信号链，具备高质量ECG数据采集所需的所有关键功能，如灵活的增益、临界滤波、低噪声、高输入阻抗和多种预偏置(lead-biasing)选项。其他功能，如快速恢复、交直流初始检测、超低功率导通检测和右腿驱动，可在要求苛刻的应用中实现稳健的操作，如带干电极的腕戴设备。模拟信号链集成有18位∑-∆ ADC，从而支持用户选择很宽范围的输出采样率。

BioZ接收通道具有EMI滤波和广泛的校准功能。BioZ接收通道还具有高输入阻抗、低噪声、可编程增益、低通和高通滤波器选项以及一个高分辨率ADC。产生输入激励模式有如下几种：平衡方波源/灌电流、正弦波电流、以及正弦波和方波电压双激励。支持宽范围的激励幅度和频率。同时也支持BIA、BIS、ICG和GSR应用。

FIFO定时使所有三个传感器通道同步。该AFE IC采用7×7 49-bump WLP封装，封装尺寸仅为2.6×2.8mm，从而使之成为临床级可穿戴胸片的理想选择(图5)。

图5：带有两个湿电极的胸部贴片，支持BIA和连续RR/ICG、ECG、SpO2 AFE。(来源：ADI)

图6说明了如何将这种AFE设计进腕式可穿戴设备，以提供按需的BIA和ECG以及连续的HR、SpO2和EDA/GSR。

图6：带有四个干电极的腕带设备，支持BIA和ECG，并带有连续监测HR、SpO2和GSR AFE。(来源：ADI)

结语

SpO2、HR、ECG和RR是医疗专业人员用于诊断用途的重要生命体征测量指标。使用可穿戴设备进行持续生命体征监测，将是未来医疗模式的关键组成部分，从而能够在症状出现之前预测疾病的发作。许多目前可用的生命体征监护仪，因为使用的传感器不是临床级的，所测量的结果无法被医疗专业人员所采信，而其他监护仪不包括BioZ传感器，根本无法准确测量RR。

在该设计方案中，推出了一款集成了三种临床级传感器(PPG、ECG和BioZ)的IC，并展示了如何将其用于胸部和手腕佩戴的设备中，以测量SpO2、HR、ECG和RR，同时还提供了其他有用的健康功能，包括BIA、BIS、GSR和ICG。除了应用于临床级可穿戴设备外，该IC还非常适合集成到可为高水平运动员提供所需各类信息的智慧服装中。

(参考原文：How a clinical-grade vital-signs AFE enhances disease detection ）

本文为《电子工程专辑》2022年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅