作者：瑞薩電子美國(guó)公司醫(yī)療保健部門(mén)的 Ash Patel & Bahram Mirshab

根據(jù)美國(guó)疾病控制中心 (CDC) 的數(shù)據(jù)，美國(guó)每年約有 610,000 人死于心臟病，即每 4 人中就有1 人死于心臟病1。心臟健康是一個(gè)人整體健康最重要的參數(shù)之一。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng) (IoMT) 正在支持新一代可穿戴、多參數(shù)、連續(xù)心臟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以改善各種醫(yī)院、診所、患者護(hù)理和家庭環(huán)境中的醫(yī)療保健管理。

IoMT 是用于收集和分析發(fā)送給醫(yī)療保健提供者的數(shù)據(jù)的醫(yī)療設(shè)備和服務(wù)的連接基礎(chǔ)設(shè)施。如今，這些設(shè)備包括測(cè)量溫度、濕度和振動(dòng)的傳感器，以及識(shí)別有限心臟狀況的算法。

下一代設(shè)計(jì)正在尋求添加參數(shù)，以使用更智能和更復(fù)雜的算法識(shí)別更廣泛的心律失常。例如，類(lèi)似于隱形繃帶的一次性“貼片”，帶有一些非常小的 IC，可以舒適地佩戴在皮膚上更長(zhǎng)時(shí)間，以監(jiān)測(cè)和管理心臟健康。

連接的心臟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將包括三個(gè)主要元素：可穿戴無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)和基于云的分析平臺(tái)。

心電圖 (ECG) 傳感器節(jié)點(diǎn)（例如，心電圖貼片或心率監(jiān)測(cè)導(dǎo)電服裝）和數(shù)據(jù)管理服務(wù)從數(shù)據(jù)中心的可穿戴設(shè)備收集心臟數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)單導(dǎo)聯(lián)或三導(dǎo)聯(lián) ECG 監(jiān)測(cè)設(shè)備，帶有多達(dá)三個(gè)電極（濕式或干式）連接到貼片上的電子設(shè)備上。

基于云的平臺(tái)使用復(fù)雜的算法和人工智能 (AI) 引擎收集和分析心臟數(shù)據(jù)，以識(shí)別潛在的異常心臟功能。結(jié)果可以添加到患者的病歷中，并提供給指定的醫(yī)療保健組織和負(fù)責(zé)的心臟病專(zhuān)家。

模擬前端

ECG 信號(hào)調(diào)理路徑（圖 1）包括模擬級(jí)，用于感測(cè)、放大和清理模擬波形。ECG 信號(hào)幅度范圍從數(shù)百微伏到大約 5 毫伏。該信號(hào)包括來(lái)自交流線(xiàn)路的低頻 (50/60 Hz) 噪聲、來(lái)自身體肌肉的高頻噪聲以及來(lái)自設(shè)備附近不同設(shè)備的射頻噪聲。在可穿戴設(shè)備的情況下，ECG 信號(hào)基線(xiàn)會(huì)由于運(yùn)動(dòng)偽影而產(chǎn)生不希望的波動(dòng)。

因此，高度復(fù)雜的模擬前端 (AFE) 通常用于清理和數(shù)字化 ECG 信號(hào)。AFE 包括 EMI 濾波器以消除射頻噪聲；具有典型 0.5Hz 轉(zhuǎn)角頻率的高通濾波器，以消除基線(xiàn)波動(dòng)；具有典型 150Hz 轉(zhuǎn)角頻率的低通濾波器，用于過(guò)濾帶外信號(hào)；用于過(guò)濾 50/60 Hz 噪聲的陷波濾波器；一個(gè)用于放大信號(hào)的低噪聲可編程儀表放大器，以及一個(gè)用于將信號(hào)數(shù)字化以對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖 1：典型的 IoMT 連接的心臟監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)和相關(guān)的信號(hào)路徑。

AFE 的一個(gè)關(guān)鍵要求是在整個(gè)信號(hào)路徑中保持來(lái)自患者的 ECG 波形特征。這是通過(guò)在所有操作條件下最小化整個(gè)信號(hào)路徑中的噪聲和不準(zhǔn)確性（例如，增益誤差、偏移誤差等）的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

高性能 MCU

該路徑的下一個(gè)階段是微控制器 (MCU)，用于對(duì)數(shù)字化 ECG 數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和/或內(nèi)務(wù)管理。根據(jù)可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備的類(lèi)型，可穿戴傳感器中采樣的原始 ECG 數(shù)據(jù)將被即時(shí)分析以檢測(cè)最常見(jiàn)的心律失常，然后將其保存在系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器中，或存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中以備不時(shí)之需。在設(shè)備壽命結(jié)束時(shí)進(jìn)行離線(xiàn)分析。

前一種方法用于新一代一次性可穿戴心電圖，需要具有 DSP 引擎和更高代碼/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)存的更高性能 MCU，除了存儲(chǔ)大量原始數(shù)據(jù)用于后期加工。其他要求包括更小尺寸的電子設(shè)備、精密 AFE 和更低的功耗。

MCU 的額外內(nèi)存和更高性能帶來(lái)了功率性能和芯片尺寸方面的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)需要通過(guò)利用具有小單元幾何形狀的先進(jìn)低功耗工藝節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)包含電源管理功能以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的高效電源管理方案來(lái)解決。

系統(tǒng) MCU 必須在每個(gè)工作頻率上具有低功耗（優(yōu)于 50 μA/MHz），并包括具有可擴(kuò)展頻率的多種工作模式，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的靈活電源管理。一種非常常見(jiàn)的方法涉及使用基于系統(tǒng)的一些自定義專(zhuān)有使用模型的配置文件循環(huán)“打開(kāi)”和“關(guān)閉”MCU。

由于無(wú)線(xiàn)電和 MCU 在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，因此它們的使用量需要盡可能低。為了限制電源循環(huán)過(guò)程中的功耗，MCU 必須在待機(jī)操作模式下提供亞微安電流消耗，并具有從待機(jī)到正常操作模式的非?？斓霓D(zhuǎn)換時(shí)間（不超過(guò)幾微秒），以最大限度地減少開(kāi)關(guān)功率損耗.

較新的 AFE 需要以較低的功耗（通常低于 100 μW）連續(xù)運(yùn)行，并且除了模擬信號(hào)路徑之外還包括專(zhuān)用的低功耗數(shù)字信號(hào)處理電路（例如 R 到 R 峰值周期測(cè)量）。這將降低 MCU 的信號(hào)處理量。一般而言，增強(qiáng)型診斷、生命體征參數(shù)監(jiān)測(cè)和附加信號(hào)測(cè)量（例如 Bio-Z）等功能都會(huì)增加 AFE 的復(fù)雜性。

超低功耗連接

ECG 傳感器節(jié)點(diǎn)中信號(hào)路徑的最后階段是某種類(lèi)型的低功耗無(wú)線(xiàn)連接，以實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)或定制傳感器集線(xiàn)器等網(wǎng)關(guān)的通信。傳輸?shù)皆破脚_(tái)和醫(yī)療中心的數(shù)據(jù)可以包括原始心電圖數(shù)據(jù)、可能的心律失?；蛘９?jié)律信息以及在操作期間測(cè)量的一些其他系統(tǒng)參數(shù)。目前，低功耗藍(lán)牙是最常用的無(wú)線(xiàn)接口之一。正在評(píng)估 NB-IoT 和 CAT-M 類(lèi)型的連接以供將來(lái)使用。

更小尺寸、更具成本效益和顯著更持久的一次性 ECG 貼片的趨勢(shì)意味著在微型片上系統(tǒng) (SoC) 或系統(tǒng)級(jí)封裝 (SIP) 設(shè)備中的超低功耗信號(hào)路徑的集成度更高. 電子產(chǎn)品小型化面臨的一些挑戰(zhàn)是需要適合低功耗精密混合信號(hào)（模擬和數(shù)字）電路的具有成本效益的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)，以及更具成本效益的小尺寸封裝技術(shù)的可用性。

超低功耗是這種新型 ECG 貼片的關(guān)鍵要求之一，因?yàn)樗梢燥@著延長(zhǎng)心臟信號(hào)監(jiān)測(cè)/分析的持續(xù)時(shí)間，超過(guò)目前 7 到 15 天的持續(xù)時(shí)間。更低的功耗還允許開(kāi)發(fā)人員包括額外的生命體征監(jiān)測(cè)，這為他們帶來(lái)了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

目前，貼片使用單幣型電池，典型容量為數(shù)百毫安時(shí)。然而，人們正在努力使用更小、容量更低和更具成本效益的電池，并結(jié)合使用“無(wú)電池”傳感器節(jié)點(diǎn)的能量收集方法，該方法基于專(zhuān)門(mén)的新半導(dǎo)體工藝技術(shù)，如薄埋氧化物上的硅。 SOTB) 和亞閾值過(guò)程。

將基于能量收集的心臟監(jiān)測(cè)貼片從研究實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到市場(chǎng)所面臨的挑戰(zhàn)是在使用點(diǎn)收集連續(xù)和一致的能源。該行業(yè)正在探索使用諸如體熱、運(yùn)動(dòng)振動(dòng)或周?chē)h(huán)境中的專(zhuān)用射頻能量等來(lái)源來(lái)應(yīng)對(duì)這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

最后，心臟監(jiān)測(cè) SoC 設(shè)計(jì)需要在非常小的硅片上成功集成混合模式電路，而不會(huì)干擾布局中分配的邊界。這需要特殊的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)防止高頻開(kāi)關(guān)數(shù)字和射頻電路產(chǎn)生的噪聲傳播到相鄰的精密模擬電路。

IoMT 正在將傳統(tǒng)的反應(yīng)式醫(yī)療保健轉(zhuǎn)向成本更低的更實(shí)惠的預(yù)防系統(tǒng)。將半導(dǎo)體、連接和材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與人工智能的力量相結(jié)合，為改善社會(huì)的改變生活的應(yīng)用提供了潛力。

審核編輯 黃昊宇