生理生命體征作為人類健康指標的重要性早已為醫學專業人士所理解，但當前的 COVID-19 大流行也提高了公眾對其重要性的認識。不幸的是，大多數發現自己正在接受持續生命體征監測的人可能已經在接受急性病治療的臨床環境中。未來醫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有效性的指標，而是采用連續和遠程生命體征監測作為識別疾病發作潛在指標的工具，允許通過以下方式進行干預臨床醫生在嚴重疾病發展之前的最早機會。

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雖然許多健康和健身可穿戴設備都包含生命體征測量功能，但其讀數的完整性可能會因多種原因而受到質疑，包括所用傳感器的質量（大多數不是臨床級）、它們的安裝位置以及傳感器的質量。穿著時身體接觸。盡管這些設備足以滿足非健康專業人員使用一種方便舒適的可穿戴設備進行隨意自我觀察的愿望，但它們不符合訓練有素的醫療專業人員正確評估個人健康和做出明智的診斷。另一方面，目前用于在較長時間間隔內提供臨床級生命體征觀察的設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讀數的最佳傳感器類型。在最終引入高度集成的醫療保健傳感器 AFE 之前，我們討論了當前測量解決方案的缺點，該傳感器將三個獨立的生物傳感器的功能組合到一個封裝中，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% 或更低可能表明個人正在經歷呼吸窘迫——例如，這是 COVID-19 患者的常見癥狀——使其成為醫療專業人員定期監測的重要生命體征。光電體積描記術 (PPG) 是一種光學測量技術，它使用多個 LED 發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反射光信號，從而使 SpO 2來計算。雖然它已成為許多腕戴式可穿戴設備的共同特征，但 PPG 光信號容易受到運動偽影和環境照明瞬態變化的干擾，這可能會導致虛假讀數，這意味著這些設備不提供臨床級測量。在臨床環境中，SpO 2是使用戴在手指上的脈搏血氧儀（圖 2）測量的，通常連續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，但它們僅適用于進行間歇性測量。

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心率和心電圖

健康的心率 (HR) 通常被認為是在每分鐘 60-100 次的范圍內，但是，單個心跳之間的時間間隔不是恒定的。通常稱為心率變異性 (HRV)，這意味著心率是在幾個心跳周期內測量的平均值。在健康個體中，心率和脈搏率幾乎相同，因為隨著心肌的每次收縮，血液都會被泵送到全身各處。然而，一些嚴重的心臟病可能會導致心率和脈搏率不同。例如，在心房顫動 (Afib) 等心律失常的情況下，并非心臟內的每一次肌肉收縮都會將血液泵送到全身——相反，血液會積聚在心臟本身的腔室中，這可能會危及生命。房顫可能難以檢測，因為它有時會間歇性地發生并且僅在短暫的短暫間隔內發生。根據世界衛生組織的數據，40 歲以上人群中四分之一的中風是由 Afib 引起的，這一事實證明了能夠檢測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下進行光學測量，因此不能依靠它們來檢測 Afib。這需要在較長的時間間隔內連續記錄心臟的電活動——心臟電信號的圖形表示稱為心電圖 (ECG)。Holter 監護儀（圖 3）是用于此目的的最常見的臨床級便攜式設備。雖然這些使用的電極少于臨床環境中使用的靜態心電圖監視器，

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呼吸頻率

每分鐘 12-20 次呼吸是大多數健康人預期的 RR。RR 率超過每分鐘 30 次呼吸可能是由發燒或其他原因引起的呼吸窘迫的指標。雖然一些可穿戴設備解決方案使用加速度計或 PPG 技術推斷 RR，但臨床級別的 RR 測量是使用 ECG 信號中包含的信息或使用生物阻抗 (BioZ) 傳感器來執行的，該傳感器使用兩個傳感器來表征皮膚的電阻抗。一個或多個連接到患者身體上的電極。雖然 FDA 批準的 ECG 功能可用于某些高端健康和健身可穿戴設備，但生物阻抗感應是一項通常不提供的功能，因為它需要包含單獨的 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)，并用于測量皮膚電反應 (GSR)，這可能是壓力的有用指標。

三合一傳感器解決方案

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

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

其雙通道 PPG 光學數據采集系統支持多達 6 個 LED 和 4 個光電二極管輸入，這些 LED 可通過兩個大電流 8 位 LED 驅動器進行編程。接收路徑有兩個低噪聲、高分辨率讀出通道，每個通道都包括獨立的 20 位 ADC 和環境光消除電路，在 120Hz 時提供超過 90dB 的環境抑制。PPG 通道的 SNR 高達 113dB，支持僅 16μA 的 Sp0 2測量。

ECG 通道是一個完整的信號鏈，提供了收集高質量 ECG 數據所需的所有關鍵功能，例如靈活增益、關鍵濾波、低噪聲、高輸入阻抗和多個引線偏置選項。其他功能，如快速恢復、交流和直流導聯檢測、超低功率導聯檢測和右腿驅動，可在要求苛刻的應用中實現穩健的操作，例如帶有干電極的腕戴式設備。模擬信號鏈驅動一個 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以及高分辨率 ADC。有幾種產生輸入刺激的模式：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 應用程序。

FIFO 時序數據允許同步所有三個傳感器通道。此 AFE IC 采用 7 x 7 49 凸塊晶圓級封裝 (WLP)，封裝尺寸僅為 2.6mm x 2.8mm，非常適合設計成臨床級可穿戴胸貼 (圖 5）。

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

圖 6 說明了如何將此 AFE 設計為腕戴式可穿戴設備，以提供具有連續 HR、SpO 2和 EDA/GSR的按需 BIA 和 ECG 。

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

概括

SpO 2、HR、ECG 和 RR 是醫療保健專業人員用于診斷目的的重要生命體征測量值。使用可穿戴設備進行持續生命體征監測將是未來醫療保健模型的關鍵組成部分，可以在癥狀出現之前預測疾病發作。許多目前可用的生命體征監測器產生的測量結果不能被醫療保健專業人員使用，因為他們使用的傳感器不是臨床級的，而其他人根本沒有能力準確測量 RR，因為它們不包括 BioZ 傳感器。在此設計解決方案中，我們展示了一種將三個臨床級傳感器（PPG、ECG 和 BioZ）集成到一個封裝中的 IC，并展示了如何將其設計到胸部和腕戴式可穿戴設備中以測量 SpO 2、HR、ECG 和 RR，同時還提供其他有用的與健康相關的功能，包括 BIA、BIS、GSR 和 ICG。除了應用于臨床級可穿戴設備外，該 IC 還非常適合集成到智能服裝中，以提供高性能運動員所需的信息類型。

審核編輯 黃昊宇