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单芯片生物医学模拟,鑫博娱乐是正规平台吗:助力生物医学发展

2021-05-12 09:29 电子技术应用

导读:ECG 测量的是人体心脏由于每次心跳使心肌去极化和复极化而产生的电信号。

氧饱和度、心电图、血压和呼吸频率的测量过去仅有医院监护仪才可提供。这些参数的监测至关重要,尤其对于有潜在医疗风险的人员来说,无论是在意外事故后、手术后,还是在被诊断为患有严重疾病时。随着老龄化人口的增加以及对医疗保健整体支出的强烈关注,院外医疗监护已成为一种发展趋势。如今,为了及早发现某些事件,对有潜在风险的患者进行日常生活监护,或者让患者携带监护仪由医院回到家中,可使其康复过程更快捷、更舒适。还有第三类用户也在测量这些参数,他们以预防为目的,甚至尚未进行任何诊断。

多参数监护仪均具有相同的需求:精确、小巧,并且一次充电即可连续长时间工作。为了支持这一趋势,ADI 公司已经开发出新的单芯片生物医学模拟前端系列。

ADPD4000 简要概述

市场上有许多可组合两个或多个测量结果的多参数系统。考虑将心率监护仪与运动传感器结合使用,可以进行活动跟踪,或利用阻抗检测进行心率变异性跟踪,可用于压力监测或睡眠分析等应用。在大多数情况下,每次测量都由专用模拟前端执行,因此需要多个芯片,每个芯片都有各自的模数转换器(ADC)、各自至主处理器的接口以及需去耦的多个电源和基准电压。这将导致许多冗余的构建模块,从尺寸和功率角度来看,它并非一个最优的系统。在可穿戴系统中,再没有什么比拥有一个可连接各个传感器的主信号链更方便的了。新型 ADPD4000 生物医学前端产品系列填补了这一市场空白。图 1 显示了 ADPD4xxx 系列的高级框图。该前端围绕两个相同的接收通道设计而成,可以同步进行采样。每个通道均以差分方式构建,因此可以在单端或差分测量模式下测量任何传感器输入。输入级是一个具有可编程增益的跨阻放大器,其后接一个带通滤波器和一个积分器,能够进行每个采样 7.5 pC 的积分。其 ADC 是一款 14 位逐次逼近寄存器(SAR)转换器,最大采样速率为 1 MSPS。每个信号链的前面是一个 8 通道多路复用器,使模拟前端可以灵活地将各种传感器信号路由至 AFE。

图 4. 使用不同电极测得的两个 ECG 波形

图 4 显示了两个 ECG 波形。蓝色波形测量结果采用高质量电极,其串联阻抗为 51 kΩ,电容为 47 nF。而红色波形测量结果则采用质量较差的高串联阻抗电极。其接触阻抗为 510 kΩ,电容为 4.7 nF。我们可以看到,ADPD4000 测得的两个波形几乎完全相同,而与电极质量无关。与市场上的替代解决方案相比,这是该前端的巨大优势。另一个优势是该电路具有极高的功效比,因为在充电电容上捕获 ECG 信号时不必激活该电路。再一个优点是其功耗仅为 150 ?W 至 200 ?W。

PPG 和生物阻抗测量

对于光学和生物阻抗测量,分别需要发光二极管驱动器发光和向体内激励电流。在许多光学系统中,需使用不止一种波长,因此该芯片的多功能性非常令人期待。ADPD4000 具有八个输出驱动器,其中四个通道可同时使用,每个输出的可编程输出电流最大为 200 mA,而整个驱动器部分则为 400 mA。根据配置,可以多时隙工作,每个时隙都以各自的波长来测量光电心率、SpO2、水合或脱水等。每个接收信号链均具有一个可编程跨阻放大器,其后是一个双级抑制模块,以消除环境光干扰。对于 ADPD41xx 系列,发送 / 接收信号链的信噪比(SNR)高达 100 dB,这使其非常适合对噪声敏感的光学测量,例如氧饱和度测量或血压估测。光学系统的功耗在很大程度上取决于系统配置,例如采样与抽取速率和所使用的 LED 电流。这也与在用户身体上的位置和肤色成比例关系。

许多可穿戴系统还可测量皮肤电导率,适合 EDA、压力或精神状态监测等应用。测量压降需要激励电流。ADPD4000 系列支持此用例。该芯片可以配置为 2 线或 4 线测量模式。它不包含增强型波形发生器和 DFT 引擎,因此,在需要阻抗光谱的情况下,应使用配套芯片 AD5940 以辅助 ADPD4000。阻抗功能还可用于测量电极质量或导线脱落检测。

由于 ADPD4xxx 配备 8 通道多路复用器,因此还可以支持使用辅助输入测量系统中的电压、电容、温度或运动。

理想之选

ADPD4000/ADPD4001 的推出,解决了设计人员在穿戴式设备、人体贴片或给药系统设计中面临的许多挑战。对于每种用例,性能、尺寸和功耗都至关重要。这款新型生物医学前端具有高性能的双通道传感器输入级、激励通道、数字处理器和时序控制,可以满足这些要求。ADPD4000 和 ADPD4001 已实现量产,现已上市,而下一代 ADPD4100/ADPD4101 预计将于 2020 年第一季度上市。新一代产品具有改进的信噪比规格和其他功能,有助于进一步降低整个系统的功耗。尽管所有这些功能都包含在单芯片中,但电子设计工程师的工作并不会因此而变得多余,因为需要进行多个参数配置,以使每个系统具有各自的特征。


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