2020年中，世界衛生組織發布報告顯示：2000年至2016年期間，全球預期壽命增長了8%以上，健康預期壽命也從平均59歲增長到63歲。年輕一代除了有機會享受到世界一流的醫療健康服務，還受益于越來越智能的健康監測傳感器等智能設備——過去十年手機、可穿戴設備和數字健康領域取得巨大進步，數字醫療健康得到了迅速擴張。
當前的可穿戴設備仍面臨著不小的挑戰。在其小尺寸的天然限制下，消費者卻對低功耗、長續航和高精度的提出了不低的要求。與此同時，隨著可穿戴設備監測項目、功能的增加（如心率監測、運動計步、血壓及移動支付等），對內部高度集成的電子組件的需求也在不斷提高。本文以將ADI ADPD4000單芯片生物醫學模擬前端為例，詳細解讀其產品特點及應用方案。
功能與體積相悖，可穿戴設備如何破局？
根據IDC數據，2019年全年可穿戴設備出貨量達到3.365億部，同比增長了89%。可穿戴市場呈逐年上升趨勢的同時，其應用邊界也在不斷擴張——以智能手表為例，在健康管理方面其需要監測用戶的體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度、血壓和身體成分等各種生命體征和健康指標。面對健康監測功能需求的激增，可穿戴設備內部傳感器、芯片等元器件數量也隨之“水漲船高”，并帶來一系列的連鎖反應。
比如，如果可穿戴設備將心率監護儀與運動傳感器結合使用，可對用戶進行活動跟蹤。正所謂“牽一發而動全身”，在設備內部意味著在大多數情況下每次測量都由專用模擬前端執行，因此需要多個芯片，這不僅會增大整個電路的尺寸、所需的功率，同時也導致總成本增加。此時，一個可連接各個傳感器的主信號鏈就顯得尤為重要。
ADI公司推出的ADPD4000采用極為靈活的架構，填補了當前市場的空白。除了提供生物電勢和生物阻抗讀數外，ADPD4000還可以管理光電式測量前端、引導LED和讀取光電二極管。同時，ADPD4000配有一個用于補償的溫度傳感器和一個開關矩陣，可引導所需的輸出和獲取信號，無論是單端信號或差分電壓信號均可。此外，還可以選擇單端輸出或差分輸出，具體由ADPD4000要連接的ADC的輸入要求決定。該器件可以編程采用12個不同的時間帶，每個專用于處理特定的傳感器。
借助ADPD4000，可穿戴ECG實現精準測量
現代醫學研究顯示，人類心律失常與冠心病、高血壓、心臟衰竭等疾病密切相關。因此心率是反應個人健康狀況的重要生理參數之一，其可以通過心電圖（ECG）來檢測。與傳統的醫用ECG設備相比，可穿戴ECG設備擁有小巧便利的先天優勢，不過后者的精度是業界長久以來試圖解決的問題。
ADPD4000系列的高級框圖
對于可穿戴ECG而言，無論醫用ECG設備采用的銀/氯化銀此類濕電極，還是干電極，其無法在與用戶長期的接觸中保證舒適性和精確度。而ADPD4000則完美的解決了這一問題：不管電極質量如何，都能提供精確的測量。基于ADPD4000的ECG電路并不使用電壓輸入，而是測量檢測電容上累積的電荷。同時，通過從無源RC網絡和采樣速率計算出的最佳時間常數，充電過程可消除皮膚與電極接觸阻抗的變化。上圖顯示了如何通過RC網絡將ECG信號耦合到芯片中。該ECG電路具有固有的抗擾性，不受皮膚與電極之間接觸阻抗變化的影響。
使用不同電極測得的兩個ECG波形
上圖則顯示了使用不同質量電極測得的兩個ECG波形，ADPD4000測得的兩個波形幾乎完全相同。其中，藍色波形測量結果采用高質量電極，其串聯阻抗為51 kΩ、電容為47 nF。而紅色波形測量結果則采用質量較差的高串聯阻抗電極，其接觸阻抗為510 kΩ、電容為4.7nF。與市場上的替代解決方案相比，這是ADPD4000前端的巨大優勢。另一個優勢是，該電路具有極高的功效比，因為在充電電容上捕獲ECG信號時不必激活該電路。同時，其功耗僅為150 μW至200 μW，對于注重功耗表現的可穿戴ECG設備來說無疑是一大利好。
玩轉可穿戴兩大測量，多功能性是關鍵
除了心率，呼吸、血壓和溫度、皮膚電導率和身體成分等生命體征，同樣需要輔以相應的監測手段。其中，光學測量和生物阻抗測量，分別需要發光二極管驅動器發光和向體內激勵電流。此外，在許多光學系統中需使用不止一種波長。而ADPD4000的多功能性非常好的契合了上述要求。
ADPD4000/ADPD4100框圖
ADPD4000具有八個輸出驅動器，其中四個通道可同時使用，每個輸出的可編程輸出電流最大為200mA，而整個驅動器部分則為400mA。其可以根據配置滿足多時隙工作，每個時隙都以各自的波長來測量光電心率、血氧飽和度、水合或脫水等。同時，每個接收信號鏈均具有一個可編程跨阻放大器，其后則是一個雙級抑制模塊，以消除環境光干擾。
ADPD4000用于實施光電、生物電勢、生物阻抗和溫度測量
值得一提的是，許多可穿戴系統還可測量皮膚電導率，適合EDA、壓力或精神狀態監測等應用。這些應用在測量壓降時需要激勵電流，而ADPD4000系列支持此用例。此外，ADPD4000在配置為2線或4線測量模式時還可以結合配套芯片AD5940，實現阻抗光譜，用于測量電極質量或導線脫落檢測。
結語
過去，醫療市場是以醫生為中心，患者只在感覺不舒服或有明顯健康問題時才去就醫。如今，受益于越來越智能的健康監測智能設備的崛起，使得以病人為中心的方法受到了大眾的認可。當前，可穿戴設備產生的健康信息對健康和疾病管理可以發揮重要作用。為了滿足需求并使這些設備可供更廣泛的人群使用，設計人員必須考慮成本、尺寸和功耗等常見需求。
ADI公司的這款突破性AFE ADPD4000展示了其作為多參數生命體征監測中樞的巨大優勢。這款新型生物醫學前端具有高性能的雙通道傳感器輸入級、激勵通道、數字處理器和時序控制，可以滿足上述要求。
