主动健康理念已全面兴起，多模式传感器AFE助力医用可穿戴设备系统化繁为简

作为全球最大的产业之一，全球医疗健康年支出总额占 GDP 总额的 9%左右，是全球经济发展的新引擎。但遗憾的是，大部分医疗健康费用都花在了生命的尽头，并没有主要用于预防和保健。近些年，随着人们生活水平的持续提升，“健康”正在成为人们最关心的话题，特别是亚健康状态在人群中如影随形，有关预防性医疗也越发受人关注。

预防是最经济有效的健康策略，除了在日常生活中合理膳食、科学运动、戒烟控酒等，利用精准定向、广阔覆盖的数据进行健康监测与疾病预防也是极为重要的。过去的医疗市场是以医生为中心的，这意味着我们只有在感觉不舒服或有更明显的健康问题时才去就医。新技术（尤其是电子行业）的发展对整个医疗市场产生了巨大的影响，同时也创造了一种更以病人为中心的方法。作为消费者（或病人），在如何监测自身的健康状况，以及去哪里获得医疗保健和医疗服务方面有更多的选择。凭借在研发生命体征监测传感器方面数十年的专业经验，ADI公司正在积极研究和开发下一代可穿戴设备，为数字医疗保健技术行业（及患者）带来更光明的前景。

护理分散化，让健康管理脱离医院环境

如果使用可穿戴设备每天监测重要的生命体征参数，并且能够在更早的阶段检测到变化或异常，我们就可以在某些疾病发展并对身体造成永久性损害之前就开始治疗。对于医生而言，可穿戴设备也赋予了他们某种权力，可以帮助患者更好地管理自己的疾病，甚至可能延缓病情的进展。COVID-19大流行更是导致对用于医院和家庭多参数生命体征监测设备的需求激增，小型且方便的智能可穿戴设备的需求也已达到新高。

可穿戴设备通常可以测量多个参数，如心率、活动、皮肤阻抗、氧饱和度和体温等，但市面上多为单芯片或传感器测量这些参数，需要多参数同时测量时单芯片解决方案不仅会增大整个电路板的尺寸、所需的功率，也会使得系统总成本增加。例如基于ADI的多模式传感器AFE 解决方案ADPD4100/ADPD4101可以应对这些挑战，该系列AFE可以用作可穿戴式多参数生命体征监测，，对于医生、患者和消费者而言，它使得生命体征监测比以前更容易，并提供更高的性能、更长的电池寿命和更高的精度，且不会有多种设备造成的烦扰和不适感。

伴随着人们对应用可穿戴设备监护生命体征的兴趣越来越大，传统的音视频互联网远程医疗服务模式也开始了迭代升级，进入了智能化数字医疗时代。护理开始从以医生为中心转变为以病人为中心，监测技术也正从大型、复杂和集中化转向小型、可穿戴和分散化，未来，医疗级可穿戴设备，对于一些慢病患者群体，将是“标配”。今后的互联网远程医疗服务也不会仅仅局限于音视频会诊或交流，更广泛的有效服务，将是依靠可穿戴智能设备提供的具有临床级性能的监测结果。

在ECG测量和呼吸监测中，看多模式传感器AFE的优势

ADPD4000/ADPD4001 可作为完整的多模式传感器前端运行，可以激励多达八个发光二极管 (LED) 并在多达八个单独的电流输入上测量返回信号，其提供的多种操作模式可适应各种传感器测量，包括但不限于光体积变化描记图法 (PPG)、心电图 (ECG)、皮肤电活动 (EDA)、阻抗、电容、温度、气体检测、烟雾检测和气溶胶检测，以用于各种医疗健康 、工业和消费电子应用。使用ADPD4100/ADPD4101进行呼吸测量时，检测的是吸气和呼气周期中肺的生物阻抗变化。呼吸时，肺的容积会膨胀和收缩，导致胸部阻抗发生变化。通过将电流注入胸部路径并测量压降，可以测量该阻抗变化。下图a显示了一个参考设计，采用两个电极进行ECG测量和呼吸监测。图b显示了同步记录的ECG、呼吸相关阻抗波和PPG。ECG和呼吸利用左右手腕上的干电极测量，PPG利用绿光LED测量。

ECG和呼吸测量

(a) 采用开尔文检测方法进行睡眠浮空ECG和呼吸测量的外部电路(b) ECG、呼吸和PPG同步测量示例

单进行ECG测量时，ADPD4100/ADPD4101采用的是一种新颖的方法，即使用无源电阻电容(RC)电路来跟踪一对电极上的差分电压。无源RC电路可以简单到只有三个元件，即两个电阻RS和一个电容CS，如下图a所示。对ECG数据的每次采样过程分为两步。

在充电步骤中，两个输入引脚（IN7和IN8）浮空。如果充电时间>3τ，则电容CS上的电荷与两个电极上的差分电压成正比，其中τ为RS和CS定义的时间常数，τ=2RSCS。在电荷转移步骤中，电容连接到TIA，电荷转移到AFE进行测量。这种基于电荷测量的ECG解决方案具有多个优势，包括：无需缓冲器和RLD的第三电极，系统尺寸因外部元件减少而缩小，以及节省功耗。

ECG测量配置

(a) RC采样电路和导联脱落检测电路(b) 每个ECG数据样本的充电和电荷转移过程说明

借助ADPD4100/ADPD4101的设计灵活性，使用基于生物阻抗的方法可以方便地将导联脱落检测添加到该ECG解决方案中。上图a显示了导联脱落检测电路，它将脉冲驱动到一个电极，并在另一电极接收电流。如果一个或两个电极从皮肤上脱落，则路径断开，接收不到电流。

常规ECG解决方案中的导联脱落检测使用上拉电阻电路，会影响ECG电路的输入阻抗；相比之下，这种基于生物阻抗的在单独时隙中进行的导联脱落检测不会对ECG测量产生影响。利用此直流耦合电路，一旦电极与皮肤的接触重新建立，便会捕获到ECG信号。

小结

“预防医疗”经过现代科学洗礼和产业化重塑，孕育着人类更健康生活和福祉实现的愿景，可穿戴设备产生的健康信息对健康和疾病管理发挥着重要的作用。为了满足需求并使这些设备可供更广泛的人群使用，设计人员必须考虑成本、尺寸和功耗等常见需求。ADI的突破性AFE ADPD4100/ADPD4101作为多参数生命体征监测中枢，在同类产品中具有非常大的优势，单个AFE设计可减少多参数VSM系统的IC数量，从而大大缩减成本和尺寸。此外，在设计的多参数系统中国可以生成同步数据，消除了数据同步的负担。