中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

基于光学测量的可穿戴生命体征监测方案

2022-02-21

生命体征监测已经超出医疗实践的范围,进入我们日常生活的多个领域。最初,生命体征监测是在严格的医疗监督下,在医院和诊所进行。微电子技术的进步降低了监控系统的成本,使这些技术在远程医疗、运动、健身和健康、工作场所安全等领域更加普及和普遍,在越来越关注自动驾驶的汽车市场也是如此。虽然实现了这些扩展,但是因为这些应用都与健康高度相关,所以仍然保持很高的质量标准。

生命体征监测包括测量一系列能显示个人健康状况的生理参数。心率是最常见的参数之一,可以通过心电图来检测,心电图可以测量心跳的频率,最重要的是,可以测量心跳的变化。心率变化往往由活动引起。在睡眠或休息时,节奏较慢,但往往会随着身体活动、情绪反应、压力或焦虑等因素而加快。本文将结合亚德诺半导体公司(ADI)的相关产品与技术提供基于光学测量的可穿戴生命体征监测方案。

光学体征信号监测成主流

为了监测心率、呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征,需要采用各种传感器,且解决方案必须紧凑、节能和可靠。生命体征监测包括:
•光学测量
•生物电势测量
•阻抗测量
•使用MEMS传感器进行的测量

光学测量超越了标准的半导体技术。为了进行这种类型的测量,需要一个光学测量工具箱。下图所示为光学测量的典型信号链。需要使用光源(通常是LED)来生成光信号,它可能由不同的波长组成。几种波长组合在一起,可以实现更高的测量精度。还需要使用一系列硅或锗传感器(如光电二极管)将光信号转化为电信号。光电二极管在响应光源的波长时,必须具备足够的灵敏度和线性度。之后,光电流必须被放大和转换,因此需要高性能、节能、多通道模拟前端,以控制LED、放大和过滤模拟信号,并按照所需的分辨率和精度进行模数转换。

生命体征检测的光学测量信号链

基于ADPD144RI的耳塞式光学心率测量

体征信号的测量与测量方案很多时候决定于测量的位置,心率检测会受到运动伪像的限制而难以进行,像手腕等常见测量位置因为肌肉质量相对较大,会限制与动脉的接触。相比之下,耳朵更适合进行光学心率测量。然而,因为基于耳朵的测量设备受空间限制,并且功耗非常高,需要大电池。但随着高集成度、更低功耗芯片的推出,ADI已开发出解决这些问题的解决方案。现在可以将有效运作的生命体征测量器件集成到典型的入耳式耳机中。响应度的改进开辟了全新的应用领域和可能性。

基础测量方法是光学性的,ADI的测量方案使用来自最多三个LED的短脉冲信号。LED电流最高可达370 mA,最小脉冲宽度为1μs。LED的最佳波长根据测量位置和测量方法来选择。手腕上只能测量表面动脉,故而选择绿光,耳朵则不同,可以使用红外光,从而获得更大的穿透深度和更高的SNR。光电二极管用于测量反射光,因此,它会同时测量信号和背景噪声。下游模拟前端提供更高的SNR。它用作信号滤波器,将检测到的电流转换为电压,进而转换为数字形式。除反射测量外,算法还包括用于通过加速度计滤除运动伪像的校正。

组成测量系统的器件包括ADPD144RI(芯片用作模拟前端),它还集成了光电二极管和LED。测量由三轴加速度计(ADXL362)提供支持,该三轴加速度计不仅用于识别步态和运动,还用于去除伪像。整个过程由ADuCM3029 微控制器控制,该微控制器用作各种传感器的接口并包含算法。

为了对系统特性进行表征,针对不同的运动模式考虑了五种不同的场景:站着不动;站着不动并咀嚼;在办公桌前工作;步行;跑步和跳跃。从测试案例中可以得出结论,在大多数情况下,心率可以利用耳塞中集成的传感器非常精确地加以确定。与手腕测量相比,耳朵中的信号更强,因此测量精度可以达到更高水平。此外,使用红光或红外光可以测量血氧水平。

光电式脉搏波测量模拟前端ADPD1081

基于光电容积图(PPG)技术的光学测量方法在穿戴市场的应用越来越广泛。针对人体各项生理特征指标测量,如心率、血压饱和度、血氧等,ADI推出了一系列光学测量传感器,适用于人体的耳朵、手腕、指尖、额头、腹部等多个测量部位。此系列产品均带有体积小,功耗低,高信噪比SNR的特点,可为测量系统提供高质量的原始数据。以光电式脉搏波测量模拟前端ADPD1081为例,ADI公司提供一系列光电二极管和各种模拟前端,能够处理从光电二极管接收到的信号并控制LED。

ADPD1081将LED、光电二极管和前端集成到一个器件中,也提供完整的光学系统。ADPD1081集成了14位模数转换器和20位突发累加器的高效率光电式测量前端,配合灵活的发光LED驱动器工作,ADPD1081激励LED并测量相应的光学返回信号。数据输出和功能配置通过ADPD1081上的串行端口接口(SPI)进行。控制电路包括灵活的LED信号传输和同步检测。

由于环境光通常引起调制干扰,模拟前端(AFE)可提供信号失调和破坏抑制性能,而无需滤光器或需要外部控制的直流抵消电路。通过电容低于100 pF的光电二极管耦合ADPD1081以实现优质性能,而且可用于任何LED。

当LED发光时,血液和组织会吸收不同数量的光子,导致光电检测器检测到不同的结果。光电检测器测量血液脉动的变化并输出一个电流,该电流随后经放大和滤波以供进一步分析。下图显示了一个由交流(AC)和直流(DC)分量组成的一般PPG信号。PPG波形的直流分量检测组织、骨骼和肌肉反射的光信号,以及动脉和静脉血液的平均血容量。交流分量则表示心动周期的收缩期和舒张期之间发生的血容量变化,交流分量的基频取决于心率。

含交流和直流部分的典型PPG信号

此外,PPG信号易受周边组织的不良血液灌流和运动伪像的影响是众所周知的,为将这些因素的影响降至低点,以免干扰随后的PPG分析和心率估计,须有一个预处理阶段。需要一个带通滤波器来消除PPG信号的高频成分(如电源)和低频成分(如毛细血管密度和静脉血容量的变化、温度变化等等)。

本文小结:

随着老龄化人口的增加以及对医疗保健整体支出的强烈关注,院外医疗监护已成为一种发展趋势。如今,为了及早发现某些事件,对有潜在风险的患者进行日常生活监护,或者让患者携带监护仪由医院回到家中,可使其康复过程更快捷、更舒适。基于光学测量的可穿戴生命体征监测方案为人们的日常健康监护提供了便捷高效率的实施方案。

来源:EDN电子技术设计