作者：瑞薩電子美國公司醫療保健部門的 Ash Patel & Bahram Mirshab

根據美國疾病控制中心 (CDC) 的數據，美國每年約有 610,000 人死于心臟病，即每 4 人中就有1 人死于心臟病1。心臟健康是一個人整體健康最重要的參數之一。醫療物聯網 (IoMT) 正在支持新一代可穿戴、多參數、連續心臟監測系統，以改善各種醫院、診所、患者護理和家庭環境中的醫療保健管理。

IoMT 是用于收集和分析發送給醫療保健提供者的數據的醫療設備和服務的連接基礎設施。如今，這些設備包括測量溫度、濕度和振動的傳感器，以及識別有限心臟狀況的算法。

下一代設計正在尋求添加參數，以使用更智能和更復雜的算法識別更廣泛的心律失常。例如，類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時間，以監測和管理心臟健康。

連接的心臟監測系統將包括三個主要元素：可穿戴無線傳感器節點、數據管理服務和基于云的分析平臺。

心電圖 (ECG) 傳感器節點（例如，心電圖貼片或心率監測導電服裝）和數據管理服務從數據中心的可穿戴設備收集心臟數據。傳感器節點通常是一個單導聯或三導聯 ECG 監測設備，帶有多達三個電極（濕式或干式）連接到貼片上的電子設備上。

基于云的平臺使用復雜的算法和人工智能 (AI) 引擎收集和分析心臟數據，以識別潛在的異常心臟功能。結果可以添加到患者的病歷中，并提供給指定的醫療保健組織和負責的心臟病專家。

模擬前端

ECG 信號調理路徑（圖 1）包括模擬級，用于感測、放大和清理模擬波形。ECG 信號幅度范圍從數百微伏到大約 5 毫伏。該信號包括來自交流線路的低頻 (50/60 Hz) 噪聲、來自身體肌肉的高頻噪聲以及來自設備附近不同設備的射頻噪聲。在可穿戴設備的情況下，ECG 信號基線會由于運動偽影而產生不希望的波動。

因此，高度復雜的模擬前端 (AFE) 通常用于清理和數字化 ECG 信號。AFE 包括 EMI 濾波器以消除射頻噪聲；具有典型 0.5Hz 轉角頻率的高通濾波器，以消除基線波動；具有典型 150Hz 轉角頻率的低通濾波器，用于過濾帶外信號；用于過濾 50/60 Hz 噪聲的陷波濾波器；一個用于放大信號的低噪聲可編程儀表放大器，以及一個用于將信號數字化以對采樣數據進行后處理的模數轉換器。

圖 1：典型的 IoMT 連接的心臟監測傳感器節點和相關的信號路徑。

AFE 的一個關鍵要求是在整個信號路徑中保持來自患者的 ECG 波形特征。這是通過在所有操作條件下最小化整個信號路徑中的噪聲和不準確性（例如，增益誤差、偏移誤差等）的影響來實現的。

高性能 MCU

該路徑的下一個階段是微控制器 (MCU)，用于對數字化 ECG 數據進行后處理和/或內務管理。根據可穿戴監測設備的類型，可穿戴傳感器中采樣的原始 ECG 數據將被即時分析以檢測最常見的心律失常，然后將其保存在系統的非易失性存儲器中，或存儲在存儲器中以備不時之需。在設備壽命結束時進行離線分析。

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/數據存儲內存的更高性能 MCU，除了存儲大量原始數據用于后期加工。其他要求包括更小尺寸的電子設備、精密 AFE 和更低的功耗。

MCU 的額外內存和更高性能帶來了功率性能和芯片尺寸方面的挑戰。這些挑戰需要通過利用具有小單元幾何形狀的先進低功耗工藝節點，并通過包含電源管理功能以實現系統級的高效電源管理方案來解決。

系統 MCU 必須在每個工作頻率上具有低功耗（優于 50 μA/MHz），并包括具有可擴展頻率的多種工作模式，以實現系統級的靈活電源管理。一種非常常見的方法涉及使用基于系統的一些自定義專有使用模型的配置文件循環“打開”和“關閉”MCU。

由于無線電和 MCU 在系統中占主導地位，因此它們的使用量需要盡可能低。為了限制電源循環過程中的功耗，MCU 必須在待機操作模式下提供亞微安電流消耗，并具有從待機到正常操作模式的非常快的轉換時間（不超過幾微秒），以最大限度地減少開關功率損耗.

較新的 AFE 需要以較低的功耗（通常低于 100 μW）連續運行，并且除了模擬信號路徑之外還包括專用的低功耗數字信號處理電路（例如 R 到 R 峰值周期測量）。這將降低 MCU 的信號處理量。一般而言，增強型診斷、生命體征參數監測和附加信號測量（例如 Bio-Z）等功能都會增加 AFE 的復雜性。

超低功耗連接

ECG 傳感器節點中信號路徑的最后階段是某種類型的低功耗無線連接，以實現與智能手機或定制傳感器集線器等網關的通信。傳輸到云平臺和醫療中心的數據可以包括原始心電圖數據、可能的心律失常或正常節律信息以及在操作期間測量的一些其他系統參數。目前，低功耗藍牙是最常用的無線接口之一。正在評估 NB-IoT 和 CAT-M 類型的連接以供將來使用。

更小尺寸、更具成本效益和顯著更持久的一次性 ECG 貼片的趨勢意味著在微型片上系統 (SoC) 或系統級封裝 (SIP) 設備中的超低功耗信號路徑的集成度更高. 電子產品小型化面臨的一些挑戰是需要適合低功耗精密混合信號（模擬和數字）電路的具有成本效益的半導體工藝節點，以及更具成本效益的小尺寸封裝技術的可用性。

超低功耗是這種新型 ECG 貼片的關鍵要求之一，因為它可以顯著延長心臟信號監測/分析的持續時間，超過目前 7 到 15 天的持續時間。更低的功耗還允許開發人員包括額外的生命體征監測，這為他們帶來了競爭優勢。

目前，貼片使用單幣型電池，典型容量為數百毫安時。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，并結合使用“無電池”傳感器節點的能量收集方法，該方法基于專門的新半導體工藝技術，如薄埋氧化物上的硅。 SOTB) 和亞閾值過程。

將基于能量收集的心臟監測貼片從研究實驗室轉移到市場所面臨的挑戰是在使用點收集連續和一致的能源。該行業正在探索使用諸如體熱、運動振動或周圍環境中的專用射頻能量等來源來應對這一關鍵挑戰。

最后，心臟監測 SoC 設計需要在非常小的硅片上成功集成混合模式電路，而不會干擾布局中分配的邊界。這需要特殊的設計專業知識來防止高頻開關數字和射頻電路產生的噪聲傳播到相鄰的精密模擬電路。

IoMT 正在將傳統的反應式醫療保健轉向成本更低的更實惠的預防系統。將半導體、連接和材料科學技術的進步與人工智能的力量相結合，為改善社會的改變生活的應用提供了潛力。

審核編輯 黃昊宇