【導讀】血氧飽和度、心電圖
、血壓和呼吸頻率是過去僅限於醫院監測設備的測量值。監測這些參數是關鍵
，特別是對於有醫療風險的人，無論是在事故後、手(shou)術(shu)後(hou)還(hai)是(shi)被(bei)診(zhen)斷(duan)出(chu)患(huan)有(you)嚴(yan)重(zhong)疾(ji)病(bing)時(shi)。隨(sui)著(zhe)人(ren)口(kou)老(lao)齡(ling)化(hua)的(de)增(zeng)加(jia)和(he)對(dui)整(zheng)體(ti)衛(wei)生(sheng)支(zhi)出(chu)的(de)強(qiang)烈(lie)關(guan)注(zhu)，在(zai)醫(yi)院(yuan)外(wai)獲(huo)得(de)醫(yi)療(liao)監(jian)測(ce)已(yi)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)趨(qu)勢(shi)。現在，高危患者在日常生活中受到監測，以便更早地發現某些事件
，或者患者被送回家，使用監測設備

，以便更快，更舒適地康複。還有第三組用戶為了預防而測量這些參數，甚至在任何診斷之前。

血氧飽和度、心電圖
、血壓和呼吸頻率是過去僅限於醫院監測設備的測量值。監測這些參數是關鍵，特別是對於有醫療風險的人，無論是在事故後
、手(shou)術(shu)後(hou)還(hai)是(shi)被(bei)診(zhen)斷(duan)出(chu)患(huan)有(you)嚴(yan)重(zhong)疾(ji)病(bing)時(shi)。隨(sui)著(zhe)人(ren)口(kou)老(lao)齡(ling)化(hua)的(de)增(zeng)加(jia)和(he)對(dui)整(zheng)體(ti)衛(wei)生(sheng)支(zhi)出(chu)的(de)強(qiang)烈(lie)關(guan)注(zhu)
，在(zai)醫(yi)院(yuan)外(wai)獲(huo)得(de)醫(yi)療(liao)監(jian)測(ce)已(yi)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)趨(qu)勢(shi)。現在
，高危患者在日常生活中受到監測
，以便更早地發現某些事件，或者患者被送回家，使用監測設備，以便更快
，更舒適地康複。還有第三組用戶為了預防而測量這些參數，甚至在任何診斷之前。

多參數監測儀都有相同的要求：它們需要準確、小巧
，並且隻需一次電池充電即可長時間運行。為了支持這一趨勢，我們開發了一個新的單芯片生物醫學模擬前端係列。

ADPD4000 簡要概述

shichangshangyouxuduoduocanshuxitongjiehelelianggehuoduogeceliang。xiangxiangxinlvjianceqiyuyundongchuanganqixiangjiehelaigenzonghuodong，huozhejiangxinlvbianyiyuzukangganyingxiangjiehe
，yongyuyalijiancehuoshuimianfenxidengyingyong。zaidaduoshuqingkuangxia，meiciceliangdouyouzhuanyongdemoniqianduanzhixing
，congerchanshengduogexinpian，meigexinpiandouyouzijidemoshuzhuanhuanqi（ADC）

，yuzhuchuliqidejiekouyijiduogexuyaoquoudedianyuanhejizhundianya。zhehuidaozhixuduorongyugoujiankuai，congchicunhegonghaodejiaodulaikan，zhebushizuijiaxitong。zaikechuandaixitongzhong，meiyoushenmebiyongyouyigezhuxinhaoliangengrongyile，meigechuanganqidoukeyilianjiedaogaixinhaolian。xindeADPD4000係列生物醫學前端填補了這一市場空白。圖1顯示了ADPD4xxx係(xi)列(lie)的(de)高(gao)級(ji)框(kuang)圖(tu)。前(qian)端(duan)圍(wei)繞(rao)兩(liang)個(ge)相(xiang)同(tong)的(de)接(jie)收(shou)通(tong)道(dao)設(she)計(ji)，可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)采(cai)樣(yang)。每(mei)個(ge)通(tong)道(dao)都(dou)是(shi)差(cha)分(fen)構(gou)建(jian)的(de)
，這(zhe)使(shi)得(de)可(ke)以(yi)在(zai)單(dan)端(duan)或(huo)差(cha)分(fen)測(ce)量(liang)模(mo)式(shi)下(xia)測(ce)量(liang)任(ren)何(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)入(ru)。輸(shu)入(ru)級(ji)是(shi)一(yi)個(ge)跨(kua)阻(zu)放(fang)大(da)器(qi)，具(ju)有(you)可(ke)編(bian)程(cheng)增(zeng)益(yi)，後(hou)接(jie)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)積(ji)分(fen)器(qi)，每(mei)個(ge)樣(yang)本(ben)能(neng)夠(gou)積(ji)分(fen)7.5 pC。ADC是一款14位逐次逼近寄存器（SAR）轉換器
，最大采樣速率為1 MSPS。每個信號鏈前麵都有一個 8 通道多路複用器，使模擬前端能夠靈活地將各種傳感器信號路由到 AFE。

圖1.ADPD4000係列的高級框圖。

該芯片可以測量各種信號，如圖1所示。例如，您可以將 AFE 修xiu改gai為wei光guang學xue前qian端duan，以yi測ce量liang光guang學xue心xin率lv或huo血xue氧yang飽bao和he度du。在zai這zhe種zhong模mo式shi下xia，我wo們men測ce量liang光guang電dian流liu，因yin此ci需xu要yao一yi個ge高gao跨kua阻zu輸shu入ru級ji將jiang電dian流liu轉zhuan換huan為wei電dian壓ya。我wo們men還hai需xu要yao消xiao除chu來lai自zi環huan境jing光guang的de幹gan擾rao。另ling一yi個ge用yong例li是shi測ce量liang來lai自zi心xin電dian圖tu（ECG）或EMG傳chuan感gan器qi的de生sheng物wu電dian位wei信xin號hao。這zhe需xu要yao不bu同tong的de輸shu入ru信xin號hao鏈lian設she置zhi，這zhe需xu要yao重zhong新xin配pei置zhi前qian端duan設she置zhi。除chu了le接jie收shou信xin號hao鏈lian之zhi外wai
，該gai芯xin片pian還hai支zhi持chi八ba個ge輸shu出chu驅qu動dong器qi，可ke用yong於yu提ti供gong激ji勵li。您nin可ke以yi配pei置zhi一yi個ge或huo多duo個ge輸shu出chu來lai驅qu動dong LED 進行光學測量
，或者一個或多個驅動器輸出可以用作阻抗測量的激勵，以測量皮膚阻抗（皮膚電活性 （EDA））或電極阻抗（影響測量質量），同時執行生物電位測量。

該芯片允許用戶在特定時隙內對每個配置或測量進行預編程。它最多支持12geshixi，zheshidexitongzaipeizhihoufeichangyiyushiyong。ciwai
，gaixinpianbuxuyaoewaidechuliqiziyuan，zheyouzhuyujiangxitongdezhengtigonghaobaochizaizuidishuiping。zaixinpianshang

，ninkeyiguocaiyanghepingjun，yitigaoADC的有效位數（ENOB）。抽取的數據路徑寬度為 32 位。測量結果可以存儲在256字節或512字節深度FIFO中（ADPD400x與ADPD410x）。

集ji成cheng了le時shi間jian戳chuo功gong能neng
，以yi支zhi持chi來lai自zi多duo個ge連lian接jie傳chuan感gan器qi的de數shu據ju樣yang本ben之zhi間jian的de同tong步bu。一yi旦dan使shi用yong多duo個ge傳chuan感gan器qi數shu據ju來lai查zha找zhao各ge種zhong測ce量liang結jie果guo之zhi間jian的de相xiang關guan性xing，就jiu需xu要yao這zhe樣yang做zuo。圖tu2顯示了如何使用該芯片測量與光電容積脈搏波（PPG）測量同步的ECG。基於脈衝傳輸時間（PPT）測量技術，可以在連續模式下測量血壓。這對高血壓患者非常有吸引力。時間戳功能使這成為可能。

圖2.同時測量心電圖和PPG以估計血壓。

圖 3a 顯示了如何支持時隙操作。每個時隙從前置條件脈衝開始，然後是刺激脈衝，最後是光電二極管電流或來自ADC采樣的另一個傳感器信號的信號。

（a）. 每個時隙的定時操作。

（b）. 多次測量的時隙序列示例。

圖3.時隙操作和 ADPD4000 測量序列示例。

圖 3b 顯示了一個操作序列的示例。上電後，進行複位操作
，芯片進入休眠模式。喚醒芯片後

，您可以依次對兩個ECG信號（例如，LEAD I和LEAD II）進行采樣，然後進行光學測量以執行SpO2讀數和阻抗測量以測量皮膚電導率（EDA/壓力）。下一節將解釋實現這些測量中的每一個的過程。

心電圖測量變得如此簡單

心電圖是對人類心髒產生的電信號的測量，這是由於每次心跳時心肌的去極化和複極化。信號的幅度典型值為0.5 mV至4 mV，測量頻率範圍為0.05 Hz至40 Hz。心xin電dian圖tu可ke以yi僅jin用yong於yu測ce量liang心xin率lv，但dan在zai許xu多duo用yong例li中zhong，我wo們men對dui波bo形xing本ben身shen更geng感gan興xing趣qu

，它ta可ke以yi用yong作zuo心xin髒zang性xing能neng的de測ce量liang或huo對dui潛qian在zai心xin髒zang事shi件jian的de預yu警jing，如ru動dong脈mai顫chan動dong或huo持chi續xu性xing高gao血xue壓ya。我wo們men可ke以yi通tong過guo將jiang電dian極ji連lian接jie到dao皮pi膚fu來lai監jian測ce心xin髒zang活huo動dong。為wei了le保bao證zheng診zhen斷duan應ying用yong中zhong良liang好hao的de身shen體ti接jie觸chu，通tong常chang使shi用yong濕shi電dian極ji。最zui受shou歡huan迎ying的de是shi銀yin/氯化銀（Ag/AgCl）電dian極ji。在zai院yuan外wai應ying用yong中zhong

，這zhe些xie電dian極ji非fei常chang不bu舒shu服fu，很hen容rong易yi變bian幹gan或huo開kai始shi刺ci激ji皮pi膚fu。此ci外wai

，雖sui然ran經jing常chang使shi用yong幹gan電dian極ji，但dan皮pi膚fu和he電dian極ji之zhi間jian的de接jie觸chu會hui退tui化hua，幹gan電dian極ji對dui運yun動dong偽wei影ying更geng敏min感gan，導dao致zhi讀du數shu不bu準zhun確que。

在院外（門診）應用中
，始終需要在優質電極和舒適度之間進行權衡。ADPD4000係列可以解決這個問題，同時無論電極質量如何，都能提供精確的測量。ECG電路不使用電壓輸入，而是測量檢測電容器上累積的電荷。通過根據無源RC網絡和采樣率計算出優化的時間常數，充電過程消除了皮膚與電極接觸阻抗的變化。圖1顯示了ECG信號如何通過RC網絡耦合到芯片中。該ECG電路對皮膚與電極接觸阻抗的變化具有固有的免疫力。

圖4顯示了兩個ECG波形。藍色波形是用高質量的電極測量的
，具有51 kΩ的串聯阻抗和47 nF電容。但是，紅色波形是用質量差的電極測量的，具有高串聯阻抗。它具有510 kΩ接觸阻抗和4.7 nF電容。我們可以看到，ADPD4000測(ce)量(liang)兩(liang)個(ge)波(bo)形(xing)幾(ji)乎(hu)完(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)，與(yu)電(dian)極(ji)質(zhi)量(liang)無(wu)關(guan)。與(yu)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)其(qi)他(ta)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)相(xiang)比(bi)

，這(zhe)是(shi)該(gai)前(qian)端(duan)的(de)巨(ju)大(da)優(you)勢(shi)。另(ling)一(yi)個(ge)優(you)點(dian)是(shi)該(gai)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)極(ji)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)，因(yin)為(wei)它(ta)在(zai)捕(bu)獲(huo)充(chong)電(dian)電(dian)容(rong)器(qi)上(shang)的(de)ECG信號時不必處於活動狀態。另一個優點是功耗為150 μW至200 μW。

圖4.用不同的電極測量兩個ECG波形。

PPG 和生物阻抗測量

對於光學和生物阻抗測量，LED驅動器需要分別發光和激勵電流進入體內。在許多光學係統中，使用的波長不止一個，這使得該芯片的多功能性非常理想。ADPD4000具有8個輸出驅動器
，其中4個通道可同時使用，可編程輸出電流為每通道最大200 mA
，整個驅動器部分最大為400 mA。根據配置
，您可以操作多個時隙
，每個時隙都有自己的波長來測量，例如光學心率、SpO2、補水或脫水。每個接收信號鏈都有一個可編程跨阻放大器，後跟一個雙級抑製模塊

，以消除環境光幹擾。ADPD41xx係列發射/接收信號鏈的信噪比（SNR）高達100 dB
，因(yin)此(ci)對(dui)於(yu)血(xue)氧(yang)飽(bao)和(he)度(du)測(ce)量(liang)或(huo)血(xue)壓(ya)估(gu)計(ji)等(deng)噪(zao)聲(sheng)敏(min)感(gan)光(guang)學(xue)測(ce)量(liang)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)。光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)耗(hao)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)係(xi)統(tong)配(pei)置(zhi)，例(li)如(ru)采(cai)樣(yang)和(he)抽(chou)取(qu)率(lv)，以(yi)及(ji)使(shi)用(yong)的(de)LED電流。這也與身體上的位置和用戶的膚色成正比。

許多可穿戴係統還可以測量皮膚電導率，用於EDA、壓力或精神狀態監測等應用。需要激勵電流來測量壓降。ADPD4000係列支持此用例。您可以將芯片配置為 2 線或 4 線測量模式。不包括增強型波形發生器和DFT引擎
，因此如果需要阻抗譜
，AD5940應用作配套芯片
，以補充ADPD4000。阻抗功能還可用於測量電極質量或導聯脫落檢測。

由於ADPD4xxx具有8通道多路複用器，因此還可以支持輔助輸入來測量係統中的電壓、電容、溫度或運動。

幾乎是理想的

隨著ADPD4000/ADPD4001的推出，設計人員在處理可穿戴設備、身體貼片或給藥係統時麵臨的許多挑戰都得到了解決。對於這些用例中的每一個，性能

、尺寸和功耗都是關鍵規格。這種新型生物醫學前端具有高性能、雙通道傳感器輸入級
、激勵通道、數字處理引擎和定時控製，可滿足所有這些要求。ADPD4000和ADPD4001已實現量產
，目前已上市，而下一代ADPD4100/ADPD4101預計將於2020niandiyijidushangshi。xinyidaichanpingaijinlexinzaobiguigehefujiagongneng，youzhuyujinyibujiangdizhenggexitongdegonghao。jinguansuoyouzhexiegongnengdoubaohanzaidangexinpianzhong，dantabuhuishidianzishejigongchengshidegongzuobiandeduoyu，yinweiyouxuduocanshuxuyaopeizhiyifuyumeigexitongzijideshenfen。

（作者：Jan-Hein Broeders）

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