生理生命體征作為人類健康指標(biāo)的重要性早已為醫(yī)學(xué)專業(yè)人士所理解，但當(dāng)前的 COVID-19 大流行也提高了公眾對(duì)其重要性的認(rèn)識(shí)。不幸的是，大多數(shù)發(fā)現(xiàn)自己正在接受持續(xù)生命體征監(jiān)測(cè)的人可能已經(jīng)在接受急性病治療的臨床環(huán)境中。未來醫(yī)療保健的模式不是使用生命體征作為疾病治療和患者康復(fù)有效性的指標(biāo)，而是采用連續(xù)和遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)作為識(shí)別疾病發(fā)作潛在指標(biāo)的工具，允許通過以下方式進(jìn)行干預(yù)臨床醫(yī)生在嚴(yán)重疾病發(fā)展之前的最早機(jī)會(huì)。

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雖然許多健康和健身可穿戴設(shè)備都包含生命體征測(cè)量功能，但其讀數(shù)的完整性可能會(huì)因多種原因而受到質(zhì)疑，包括所用傳感器的質(zhì)量（大多數(shù)不是臨床級(jí)）、它們的安裝位置以及傳感器的質(zhì)量。穿著時(shí)身體接觸。盡管這些設(shè)備足以滿足非健康專業(yè)人員使用一種方便舒適的可穿戴設(shè)備進(jìn)行隨意自我觀察的愿望，但它們不符合訓(xùn)練有素的醫(yī)療專業(yè)人員正確評(píng)估個(gè)人健康和做出明智的診斷。另一方面，目前用于在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)提供臨床級(jí)生命體征觀察的設(shè)備可能體積龐大且不舒服，并且具有不同程度的便攜性。2 )、心率 (HR)、心電圖 (ECG) 和呼吸率 (RR) – 并考慮提供每種傳感器的臨床級(jí)讀數(shù)的最佳傳感器類型。在最終引入高度集成的醫(yī)療保健傳感器 AFE 之前，我們討論了當(dāng)前測(cè)量解決方案的缺點(diǎn)，該傳感器將三個(gè)獨(dú)立的生物傳感器的功能組合到一個(gè)封裝中，并且有可能使可穿戴、一次性生命體征健康貼片的概念更加接近.

血氧飽和度

健康個(gè)體的血氧飽和度水平通常在 95-100% 左右。然而，SpO 2水平為 93% 或更低可能表明個(gè)人正在經(jīng)歷呼吸窘迫——例如，這是 COVID-19 患者的常見癥狀——使其成為醫(yī)療專業(yè)人員定期監(jiān)測(cè)的重要生命體征。光電體積描記術(shù) (PPG) 是一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)，它使用多個(gè) LED 發(fā)射器來照亮皮膚表面下的血管，并使用光電二極管接收器來檢測(cè)反射光信號(hào)，從而使 SpO 2來計(jì)算。雖然它已成為許多腕戴式可穿戴設(shè)備的共同特征，但 PPG 光信號(hào)容易受到運(yùn)動(dòng)偽影和環(huán)境照明瞬態(tài)變化的干擾，這可能會(huì)導(dǎo)致虛假讀數(shù)，這意味著這些設(shè)備不提供臨床級(jí)測(cè)量。在臨床環(huán)境中，SpO 2是使用戴在手指上的脈搏血氧儀（圖 2）測(cè)量的，通常連續(xù)連接在靜止患者的手指上。雖然存在電池供電的便攜式版本，但它們僅適用于進(jìn)行間歇性測(cè)量。

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心率和心電圖

健康的心率 (HR) 通常被認(rèn)為是在每分鐘 60-100 次的范圍內(nèi)，但是，單個(gè)心跳之間的時(shí)間間隔不是恒定的。通常稱為心率變異性 (HRV)，這意味著心率是在幾個(gè)心跳周期內(nèi)測(cè)量的平均值。在健康個(gè)體中，心率和脈搏率幾乎相同，因?yàn)殡S著心肌的每次收縮，血液都會(huì)被泵送到全身各處。然而，一些嚴(yán)重的心臟病可能會(huì)導(dǎo)致心率和脈搏率不同。例如，在心房顫動(dòng) (Afib) 等心律失常的情況下，并非心臟內(nèi)的每一次肌肉收縮都會(huì)將血液泵送到全身——相反，血液會(huì)積聚在心臟本身的腔室中，這可能會(huì)危及生命。房顫可能難以檢測(cè)，因?yàn)樗袝r(shí)會(huì)間歇性地發(fā)生并且僅在短暫的短暫間隔內(nèi)發(fā)生。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，40 歲以上人群中四分之一的中風(fēng)是由 Afib 引起的，這一事實(shí)證明了能夠檢測(cè)和治療這種疾病的重要性。由于 PPG 傳感器在 HR 與脈搏率相同的假設(shè)下進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，因此不能依靠它們來檢測(cè) Afib。這需要在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)記錄心臟的電活動(dòng)——心臟電信號(hào)的圖形表示稱為心電圖 (ECG)。Holter 監(jiān)護(hù)儀（圖 3）是用于此目的的最常見的臨床級(jí)便攜式設(shè)備。雖然這些使用的電極少于臨床環(huán)境中使用的靜態(tài)心電圖監(jiān)視器，

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呼吸頻率

每分鐘 12-20 次呼吸是大多數(shù)健康人預(yù)期的 RR。RR 率超過每分鐘 30 次呼吸可能是由發(fā)燒或其他原因引起的呼吸窘迫的指標(biāo)。雖然一些可穿戴設(shè)備解決方案使用加速度計(jì)或 PPG 技術(shù)推斷 RR，但臨床級(jí)別的 RR 測(cè)量是使用 ECG 信號(hào)中包含的信息或使用生物阻抗 (BioZ) 傳感器來執(zhí)行的，該傳感器使用兩個(gè)傳感器來表征皮膚的電阻抗。一個(gè)或多個(gè)連接到患者身體上的電極。雖然 FDA 批準(zhǔn)的 ECG 功能可用于某些高端健康和健身可穿戴設(shè)備，但生物阻抗感應(yīng)是一項(xiàng)通常不提供的功能，因?yàn)樗枰瑔为?dú)的 BioZ 傳感器 IC。除了RR，BioZ 傳感器還支持生物電阻抗分析 (BIA) 和生物電阻抗光譜 (BIS)，兩者都用于測(cè)量身體肌肉、脂肪和水的成分水平。BioZ 傳感器還支持阻抗心電圖 (ICG)，并用于測(cè)量皮膚電反應(yīng) (GSR)，這可能是壓力的有用指標(biāo)。

三合一傳感器解決方案

圖 4 顯示了臨床級(jí)生命體征 AFE IC 的功能框圖，該 IC 將三個(gè)獨(dú)立傳感器（PPG、ECG 和 BioZ）的功能集成到一個(gè)封裝中。

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圖 4：MAX86178 超低功耗、三合一臨床級(jí)生命體征 AFE（來源：Analog Devices）

其雙通道 PPG 光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持多達(dá) 6 個(gè) LED 和 4 個(gè)光電二極管輸入，這些 LED 可通過兩個(gè)大電流 8 位 LED 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行編程。接收路徑有兩個(gè)低噪聲、高分辨率讀出通道，每個(gè)通道都包括獨(dú)立的 20 位 ADC 和環(huán)境光消除電路，在 120Hz 時(shí)提供超過 90dB 的環(huán)境抑制。PPG 通道的 SNR 高達(dá) 113dB，支持僅 16μA 的 Sp0 2測(cè)量。

ECG 通道是一個(gè)完整的信號(hào)鏈，提供了收集高質(zhì)量 ECG 數(shù)據(jù)所需的所有關(guān)鍵功能，例如靈活增益、關(guān)鍵濾波、低噪聲、高輸入阻抗和多個(gè)引線偏置選項(xiàng)。其他功能，如快速恢復(fù)、交流和直流導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)、超低功率導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)和右腿驅(qū)動(dòng)，可在要求苛刻的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的操作，例如帶有干電極的腕戴式設(shè)備。模擬信號(hào)鏈驅(qū)動(dòng)一個(gè) 18 位 sigma-delta ADC，具有廣泛的用戶選擇的輸出采樣率。

BioZ 接收通道具有 EMI 過濾和廣泛的校準(zhǔn)功能。BioZ 接收通道還具有高輸入阻抗、低噪聲、可編程增益、低通和高通濾波器選項(xiàng)以及高分辨率 ADC。有幾種產(chǎn)生輸入刺激的模式：平衡方波源/灌電流、正弦波電流以及正弦波和方波電壓刺激。有多種刺激幅度和頻率可供選擇。它還支持 BIA、BIS、ICG 和 GSR 應(yīng)用程序。

FIFO 時(shí)序數(shù)據(jù)允許同步所有三個(gè)傳感器通道。此 AFE IC 采用 7 x 7 49 凸塊晶圓級(jí)封裝 (WLP)，封裝尺寸僅為 2.6mm x 2.8mm，非常適合設(shè)計(jì)成臨床級(jí)可穿戴胸貼 (圖 5）。

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圖 5：帶有支持 BIA 和連續(xù) RR/ICG、ECG、SpO2 AFE 的兩個(gè)濕電極的胸貼（來源：Analog Devices）

圖 6 說明了如何將此 AFE 設(shè)計(jì)為腕戴式可穿戴設(shè)備，以提供具有連續(xù) HR、SpO 2和 EDA/GSR的按需 BIA 和 ECG 。

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圖 6：帶有四個(gè)干電極的腕戴式設(shè)備，支持 BIA 和 ECG，具有連續(xù) HR、SpO2 和 GSR AFE（來源：Analog Devices）

概括

SpO 2、HR、ECG 和 RR 是醫(yī)療保健專業(yè)人員用于診斷目的的重要生命體征測(cè)量值。使用可穿戴設(shè)備進(jìn)行持續(xù)生命體征監(jiān)測(cè)將是未來醫(yī)療保健模型的關(guān)鍵組成部分，可以在癥狀出現(xiàn)之前預(yù)測(cè)疾病發(fā)作。許多目前可用的生命體征監(jiān)測(cè)器產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果不能被醫(yī)療保健專業(yè)人員使用，因?yàn)樗麄兪褂玫膫鞲衅鞑皇桥R床級(jí)的，而其他人根本沒有能力準(zhǔn)確測(cè)量 RR，因?yàn)樗鼈儾话?BioZ 傳感器。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們展示了一種將三個(gè)臨床級(jí)傳感器（PPG、ECG 和 BioZ）集成到一個(gè)封裝中的 IC，并展示了如何將其設(shè)計(jì)到胸部和腕戴式可穿戴設(shè)備中以測(cè)量 SpO 2、HR、ECG 和 RR，同時(shí)還提供其他有用的與健康相關(guān)的功能，包括 BIA、BIS、GSR 和 ICG。除了應(yīng)用于臨床級(jí)可穿戴設(shè)備外，該 IC 還非常適合集成到智能服裝中，以提供高性能運(yùn)動(dòng)員所需的信息類型。

審核編輯 黃昊宇