生命體征監測已經超越了醫療實踐的界限，進入了我們日常生活的許多領域。最初，生命體征監測是在嚴格的醫療監督下在醫院和診所進行的。微電子技術的進步降低了監控系統的成本，使這些技術在遠程醫療、體育、健身和健康、工作場所安全等領域以及越來越關注自動駕駛的汽車市場更容易獲得和普及。盡管有這種擴展，但考慮到這些應用的健康相關性質，質量標準仍然很高。

生命體征

監測生命體征涉及測量一系列生理參數，這些參數可以指示個人的健康狀況。心率是最常見的參數之一，可以通過心電圖檢測到，心電圖測量心跳的頻率，最重要的是測量其變化。心率的變化往往基于活動。在睡眠或休息期間，節律較慢，但在體力活動、情緒反應、壓力或焦慮后往往會增加。

心率超出正常范圍可能表明存在心動過緩（心率過低時）或心動過速（心率過高時）等疾病。呼吸是另一個關鍵的生命體征。血液的氧合水平可以使用稱為光電容積脈搏波（SpO）的技術進行測量2).氧合不足可能與影響呼吸系統的疾病或紊亂的發作有關。其他可以提供一個人身體狀況指示的生命體征測量是血壓、體溫和皮膚電導反應。皮膚電導反應，也稱為皮膚電反應，與交感神經系統密切相關，而交感神經系統又直接參與情緒行為的調節。測量皮膚電導率可指示患者的壓力、疲勞、精神狀態和情緒反應。此外，測量身體成分、瘦體重和脂肪量的百分比以及水合作用和營養的程度可以清楚地表明一個人的臨床狀態。最后，測量運動和姿勢可以提供有關受試者活動的有用信息。

測量生命體征的技術

為了監測心率、呼吸、血壓和溫度、皮膚電導率和身體成分等生命體征，需要各種傳感器，解決方案必須緊湊、節能且可靠。生命體征監測包括：

光學測量

生物電勢測量

阻抗測量

使用MEMS傳感器進行測量

光學測量

光學測量超越了標準半導體技術。為了進行這種類型的測量，需要一個光學測量工具箱。圖1顯示了用于光學測量的典型信號鏈。需要光源（通常是LED）來產生光信號，該信號可能由不同的波長組成。多個波長的組合可實現更高的測量精度。還需要一系列硅或鍺傳感器（光電二極管）將光信號轉換為電信號，也稱為光電流。光電二極管必須以足夠的靈敏度和線性度響應光源的波長。然后必須放大和轉換光電流，因此需要一個高性能、高能效的多通道模擬前端，該前端可以控制LED，放大和濾波模擬信號，并以必要的分辨率和精度執行模數轉換。

圖1.用于光學測量的信號鏈。

光學系統的封裝也起著至關重要的作用。該封裝不僅是一個容器，而且是一個具有一個或多個光學窗口的系統，可以過濾出射光和入射光，而不會過度衰減或反射，從而可能損害信號的完整性。光學系統封裝還必須容納多個器件，包括LED、光電二極管以及模擬和數字處理芯片，以創建緊湊的多芯片系統。最后，能夠創建濾光片的鍍膜技術對于選擇應用所需的光譜部分并消除不需要的信號也至關重要。即使暴露在陽光下，應用程序也必須正常運行。如果沒有光學濾波器，信號的大小可能會使模擬鏈飽和，從而阻止電子設備正常工作。

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并控制LED。還提供完整的光學系統，將LED、光電二極管和前端集成到單個器件中，例如ADPD188GG。

生物電勢和生物阻抗測量

生物電勢是由我們體內電化學活動的影響產生的電信號。生物電位測量的例子包括心電圖 （ECG） 和腦電圖。它們檢測存在多個干擾源的頻帶中的非常低幅度的信號。因此，信號在處理之前必須被放大和濾波。ECG生物電位測量廣泛用于生命體征監測，ADI公司為此提供了多種器件，包括AD8233、ADAS1000芯片系列和ADuCM3029。

AD8233專為可穿戴應用而設計，可與ADuCM3029（基于Cortex-M3技術的片上系統（SoC））結合使用，以創建完整的系統。此外，ADAS1000系列專為高端應用而設計，具有低能耗的特點。它特別適用于電池供電的便攜式設備，并且在功率和噪聲方面具有可擴展性（即，噪聲水平可以隨著功耗的成比例增加而降低），使其成為ECG系統的絕佳集成解決方案。?

生物阻抗是另一種測量方法，可以為我們提供有關我們身體狀態的有用信息。阻抗測量提供有關我們的皮膚電活動、身體成分和水合作用狀態的信息。每個參數都需要不同的測量技術。每個電極所需的電極數量和施加電極的點可能隨著使用的頻率范圍而變化。

例如，在測量皮膚阻抗時使用低頻（高達200 Hz），而對于人體成分，通常使用50 kHz的固定頻率。同樣，使用不同的頻率來測量水合作用并正確評估細胞內和細胞外液。

雖然技術可能有所不同，但單個前端AD5940可用于所有生物阻抗和阻抗測量。該器件提供激勵信號和完整的阻抗測量鏈。可以生成各種頻率以滿足多種測量要求。此外，AD5940設計用于與AD8233配合使用，以創建全面的生物阻抗和生物電位讀取系統，如圖2所示。其他阻抗測量器件包括ADuCM35x系列SoC解決方案，除專用模擬前端外，還提供Cortex-M3微控制器、存儲器、硬件加速器以及用于電化學傳感器和生物傳感器的通信外設。

圖2.具有生物電勢和生物阻抗測量功能的完整生物電系統。

使用MEMS傳感器進行運動測量

由于MEMS傳感器可以檢測重力加速度，因此它們可用于檢測活動和異常情況，例如步態不穩，跌倒或腦震蕩，甚至可以監測受試者靜止時的姿勢。此外，MEMS傳感器可用于補充光學傳感器，因為這些傳感器會受到運動偽影的影響;發生這種情況時，來自加速度計的信息可用于進行校正。ADXL362是醫療領域最受歡迎的器件之一，是市場上能耗最低的3軸加速度計。它的特點是可編程測量范圍從2 g到8 g和一個數字輸出。

ADPD4000： 通用模擬前端

目前市場上的可穿戴設備，如智能手環和智能手表，具有各種監測生命體征的功能。其中最常見的是心率監測器、計步器和卡路里計數器。還經常測量血壓和體溫，以及皮膚電活動、血容量變化（通過光電容積描記法）和其他指標。隨著監控選項數量的增加，對高度集成的電子元件的需求也在增加。ADPD4000具有極其靈活的架構，旨在幫助設計人員滿足這一需求。除了提供生物電勢和生物阻抗讀數外，它還可以管理光度前端、導頻 LED 和讀取光電二極管。ADPD4000配備用于補償的溫度傳感器和開關矩陣，可以導頻必要的輸出并采集單端或差分電壓信號的信號。輸出是可選的，可以是單端或差分，具體取決于ADPD4000所連接的ADC的輸入要求。該設備可以編程12個不同的時間帶，每個時間帶專用于處理特定的傳感器。圖3總結了ADPD4000在幾個典型應用中的關鍵特性。

圖3.ADPD4000 用于光度、生物電勢、生物阻抗和溫度測量。

結論

隨著技術的進步，生命體征監測將在各個行業和我們的日常生活中變得越來越普遍。無論是用于治療還是預防，這種與健康相關的解決方案都需要可靠和強大的技術。在ADI公司致力于信號處理的豐富產品組合中，生命體征監測系統的設計人員將找到一系列解決方案來應對他們面臨的設計挑戰。

審核編輯：郭婷