基于光學(xué)測(cè)量的可穿戴生命體征監(jiān)測(cè)方案

生命體征監(jiān)測(cè)已經(jīng)超出醫(yī)療實(shí)踐的范圍，進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€(gè)領(lǐng)域。最初，生命體征監(jiān)測(cè)是在嚴(yán)格的醫(yī)療監(jiān)督下，在醫(yī)院和診所進(jìn)行。微電子技術(shù)的進(jìn)步降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本，使這些技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、健身和健康、工作場(chǎng)所安全等領(lǐng)域更加普及和普遍，在越來(lái)越關(guān)注自動(dòng)駕駛的汽車市場(chǎng)也是如此。雖然實(shí)現(xiàn)了這些擴(kuò)展，但是因?yàn)檫@些應(yīng)用都與健康高度相關(guān)，所以仍然保持很高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。生命體征監(jiān)測(cè)包括測(cè)量一系列能顯示個(gè)人健康狀況的生理參數(shù)。心率是最常見的參數(shù)之一，可以通過(guò)心電圖來(lái)檢測(cè)，心電圖可以測(cè)量心跳的頻率，最重要的是，可以測(cè)量心跳的變化。心率變化往往由活動(dòng)引起。在睡眠或休息時(shí)，節(jié)奏較慢，但往往會(huì)隨著身體活動(dòng)、情緒反應(yīng)、壓力或焦慮等因素而加快。本文將結(jié)合亞德諾半導(dǎo)體公司(ADI)的相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)提供基于光學(xué)測(cè)量的可穿戴生命體征監(jiān)測(cè)方案。光學(xué)體征信號(hào)監(jiān)測(cè)成主流為了監(jiān)測(cè)心率、呼吸、血壓和溫度、皮膚電導(dǎo)率和身體成分等生命體征，需要采用各種傳感器，且解決方案必須緊湊、節(jié)能和可靠。生命體征監(jiān)測(cè)包括：?光學(xué)測(cè)量?生物電勢(shì)測(cè)量?阻抗測(cè)量?使用MEMS傳感器進(jìn)行的測(cè)量光學(xué)測(cè)量超越了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)。為了進(jìn)行這種類型的測(cè)量，需要一個(gè)光學(xué)測(cè)量工具箱。需要使用光源(通常是LED)來(lái)生成光信號(hào)，它可能由不同的波長(zhǎng)組成。幾種波長(zhǎng)組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度。還需要使用一系列硅或鍺傳感器(如光電二極管)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光電二極管在響應(yīng)光源的波長(zhǎng)時(shí)，必須具備足夠的靈敏度和線性度。之后，光電流必須被放大和轉(zhuǎn)換，因此需要高性能、節(jié)能、多通道模擬前端，以控制LED、放大和過(guò)濾模擬信號(hào)，并按照所需的分辨率和精度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換?；贏DPD144RI的耳塞式光學(xué)心率測(cè)量體征信號(hào)的測(cè)量與測(cè)量方案很多時(shí)候決定于測(cè)量的位置，心率檢測(cè)會(huì)受到運(yùn)動(dòng)偽像的限制而難以進(jìn)行，像手腕等常見測(cè)量位置因?yàn)榧∪赓|(zhì)量相對(duì)較大，會(huì)限制與動(dòng)脈的接觸。相比之下，耳朵更適合進(jìn)行光學(xué)心率測(cè)量。然而，因?yàn)榛诙涞臏y(cè)量設(shè)備受空間限制，并且功耗非常高，需要大電池。但隨著高集成度、更低功耗芯片的推出，ADI已開發(fā)出解決這些問(wèn)題的解決方案?，F(xiàn)在可以將有效運(yùn)作的生命體征測(cè)量器件集成到典型的入耳式耳機(jī)中。響應(yīng)度的改進(jìn)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域和可能性?；A(chǔ)測(cè)量方法是光學(xué)性的，ADI的測(cè)量方案使用來(lái)自最多三個(gè)LED的短脈沖信號(hào)。LED電流最高可達(dá)370mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長(zhǎng)根據(jù)測(cè)量位置和測(cè)量方法來(lái)選擇。手腕上只能測(cè)量表面動(dòng)脈，故而選擇綠光，耳朵則不同，可以使用紅外光，從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管用于測(cè)量反射光，因此，它會(huì)同時(shí)測(cè)量信號(hào)和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR。它用作信號(hào)濾波器，將檢測(cè)到的電流轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。除反射測(cè)量外，算法還包括用于通過(guò)加速度計(jì)濾除運(yùn)動(dòng)偽像的校正。組成測(cè)量系統(tǒng)的器件包括ADPD144RI(芯片用作模擬前端)，它還集成了光電二極管和LED。測(cè)量由三軸加速度計(jì)(ADXL362)提供支持，該三軸加速度計(jì)不僅用于識(shí)別步態(tài)和運(yùn)動(dòng)，還用于去除偽像。整個(gè)過(guò)程由ADuCM3029微控制器控制，該微控制器用作各種傳感器的接口并包含算法。為了對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行表征，針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)模式考慮了五種不同的場(chǎng)景：站著不動(dòng);站著不動(dòng)并咀嚼;在辦公桌前工作;步行;跑步和跳躍。從測(cè)試案例中可以得出結(jié)論，在大多數(shù)情況下，心率可以利用耳塞中集成的傳感器非常精確地加以確定。與手腕測(cè)量相比，耳朵中的信號(hào)更強(qiáng)，因此測(cè)量精度可以達(dá)到更高水平。此外，使用紅光或紅外光可以測(cè)量血氧水平。光電式脈搏波測(cè)量模擬前端ADPD1081基于光電容積圖(PPG)技術(shù)的光學(xué)測(cè)量方法在穿戴市場(chǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。針對(duì)人體各項(xiàng)生理特征指標(biāo)測(cè)量，如心率、血壓飽和度、血氧等，ADI推出了一系列光學(xué)測(cè)量傳感器，適用于人體的耳朵、手腕、指尖、額頭、腹部等多個(gè)測(cè)量部位。此系列產(chǎn)品均帶有體積小，功耗低，高信噪比SNR的特點(diǎn)，可為測(cè)量系統(tǒng)提供高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。以光電式脈搏波測(cè)量模擬前端ADPD1081為例，ADI公司提供一系列光電二極管和各種模擬前端，能夠處理從光電二極管接收到的信號(hào)并控制LED。ADPD1081將LED、光電二極管和前端集成到一個(gè)器件中，也提供完整的光學(xué)系統(tǒng)。ADPD1081集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和20位突發(fā)累加器的高效率光電式測(cè)量前端，配合靈活的發(fā)光LED驅(qū)動(dòng)器工作，ADPD1081激勵(lì)LED并測(cè)量相應(yīng)的光學(xué)返回信號(hào)。數(shù)據(jù)輸出和功能配置通過(guò)ADPD1081上的串行端口接口(SPI)進(jìn)行?？刂齐娐钒`活的LED信號(hào)傳輸和同步檢測(cè)。由于環(huán)境光通常引起調(diào)制干擾，模擬前端(AFE)可提供信號(hào)失調(diào)和破壞抑制性能，而無(wú)需濾光器或需要外部控制的直流抵消電路。通過(guò)電容低于100pF的光電二極管耦合ADPD1081以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)性能，而且可用于任何LED。當(dāng)LED發(fā)光時(shí)，血液和組織會(huì)吸收不同數(shù)量的光子，導(dǎo)致光電檢測(cè)器檢測(cè)到不同的結(jié)果。光電檢測(cè)器測(cè)量血液脈動(dòng)的變化并輸出一個(gè)電流，該電流隨后經(jīng)放大和濾波以供進(jìn)一步分析。下圖顯示了一個(gè)由交流(AC)和直流(DC)分量組成的一般PPG信號(hào)。PPG波形的直流分量檢測(cè)組織、骨骼和肌肉反射的光信號(hào)，以及動(dòng)脈和靜脈血液的平均血容量。交流分量則表示心動(dòng)周期的收縮期和舒張期之間發(fā)生的血容量變化，交流分量的基頻取決于心率。此外，PPG信號(hào)易受周邊組織的不良血液灌流和運(yùn)動(dòng)偽像的影響是眾所周知的，為將這些因素的影響降至低點(diǎn)，以免干擾隨后的PPG分析和心率估計(jì)，須有一個(gè)預(yù)處理階段。需要一個(gè)帶通濾波器來(lái)消除PPG信號(hào)的高頻成分(如電源)和低頻成分(如毛細(xì)血管密度和靜脈血容量的變化、溫度變化等等)。本文小結(jié)：隨著老齡化人口的增加以及對(duì)醫(yī)療保健整體支出的強(qiáng)烈關(guān)