广告

基于光学测量的可穿戴生命体征监测方案

2022-02-10 14:19:17 ADI 阅读:
生命体征监测已经超出医疗实践的范围,进入我们日常生活的多个领域。最初,生命体征监测是在严格的医疗监督下,在医院和诊所进行。微电子技术的进步降低了监控系统的成本,使这些技

生命体征监测已经超出医疗实践的范围,进入我们日常生活的多个领域。最初,生命体征监测是在严格的医疗监督下,在医院和诊所进行。微电子技术的进步降低了监控系统的成本,使这些技术在远程医疗、运动、健身和健康、工作场所安全等领域更加普及和普遍,在越来越关注自动驾驶的汽车市场也是如此。虽然实现了这些扩展,但是因为这些应用都与健康高度相关,所以仍然保持很高的质量标准。ZRAednc

生命体征监测包括测量一系列能显示个人健康状况的生理参数。心率是最常见的参数之一,可以通过心电图来检测,心电图可以测量心跳的频率,最重要的是,可以测量心跳的变化。心率变化往往由活动引起。在睡眠或休息时,节奏较慢,但往往会随着身体活动、情绪反应、压力或焦虑等因素而加快。本文将结合亚德诺半导体公司(ADI)的相关产品与技术提供基于光学测量的可穿戴生命体征监测方案。ZRAednc

光学体征信号监测成主流

为了监测心率、呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征,需要采用各种传感器,且解决方案必须紧凑、节能和可靠。生命体征监测包括:ZRAednc

•光学测量ZRAednc

•生物电势测量ZRAednc

•阻抗测量ZRAednc

•使用MEMS传感器进行的测量ZRAednc

光学测量超越了标准的半导体技术。为了进行这种类型的测量,需要一个光学测量工具箱。下图所示为光学测量的典型信号链。需要使用光源(通常是LED)来生成光信号,它可能由不同的波长组成。几种波长组合在一起,可以实现更高的测量精度。还需要使用一系列硅或锗传感器(如光电二极管)将光信号转化为电信号。光电二极管在响应光源的波长时,必须具备足够的灵敏度和线性度。之后,光电流必须被放大和转换,因此需要高性能、节能、多通道模拟前端,以控制LED、放大和过滤模拟信号,并按照所需的分辨率和精度进行模数转换。ZRAednc

ZRAednc

生命体征检测的光学测量信号链ZRAednc

基于ADPD144RI的耳塞式光学心率测量

体征信号的测量与测量方案很多时候决定于测量的位置,心率检测会受到运动伪像的限制而难以进行,像手腕等常见测量位置因为肌肉质量相对较大,会限制与动脉的接触。相比之下,耳朵更适合进行光学心率测量。然而,因为基于耳朵的测量设备受空间限制,并且功耗非常高,需要大电池。但随着高集成度、更低功耗芯片的推出,ADI已开发出解决这些问题的解决方案。现在可以将有效运作的生命体征测量器件集成到典型的入耳式耳机中。响应度的改进开辟了全新的应用领域和可能性。ZRAednc

ZRAednc

基础测量方法是光学性的,ADI的测量方案使用来自最多三个LED的短脉冲信号。LED电流最高可达370 mA,最小脉冲宽度为1μs。LED的最佳波长根据测量位置和测量方法来选择。手腕上只能测量表面动脉,故而选择绿光,耳朵则不同,可以使用红外光,从而获得更大的穿透深度和更高的SNR。光电二极管用于测量反射光,因此,它会同时测量信号和背景噪声。下游模拟前端提供更高的SNR。它用作信号滤波器,将检测到的电流转换为电压,进而转换为数字形式。除反射测量外,算法还包括用于通过加速度计滤除运动伪像的校正。ZRAednc

组成测量系统的器件包括ADPD144RI(芯片用作模拟前端),它还集成了光电二极管和LED。测量由三轴加速度计(ADXL362)提供支持,该三轴加速度计不仅用于识别步态和运动,还用于去除伪像。整个过程由ADuCM3029 微控制器控制,该微控制器用作各种传感器的接口并包含算法。ZRAednc

ZRAednc

为了对系统特性进行表征,针对不同的运动模式考虑了五种不同的场景:站着不动;站着不动并咀嚼;在办公桌前工作;步行;跑步和跳跃。从测试案例中可以得出结论,在大多数情况下,心率可以利用耳塞中集成的传感器非常精确地加以确定。与手腕测量相比,耳朵中的信号更强,因此测量精度可以达到更高水平。此外,使用红光或红外光可以测量血氧水平。ZRAednc

光电式脉搏波测量模拟前端ADPD1081

基于光电容积图(PPG)技术的光学测量方法在穿戴市场的应用越来越广泛。针对人体各项生理特征指标测量,如心率、血压饱和度、血氧等,ADI推出了一系列光学测量传感器,适用于人体的耳朵、手腕、指尖、额头、腹部等多个测量部位。此系列产品均带有体积小,功耗低,高信噪比SNR的特点,可为测量系统提供高质量的原始数据。以光电式脉搏波测量模拟前端ADPD1081为例,ADI公司提供一系列光电二极管和各种模拟前端,能够处理从光电二极管接收到的信号并控制LED。ZRAednc

ADPD1081将LED、光电二极管和前端集成到一个器件中,也提供完整的光学系统。ADPD1081集成了14位模数转换器和20位突发累加器的高效率光电式测量前端,配合灵活的发光LED驱动器工作,ADPD1081激励LED并测量相应的光学返回信号。数据输出和功能配置通过ADPD1081上的串行端口接口(SPI)进行。控制电路包括灵活的LED信号传输和同步检测。ZRAednc

由于环境光通常引起调制干扰,模拟前端(AFE)可提供信号失调和破坏抑制性能,而无需滤光器或需要外部控制的直流抵消电路。通过电容低于100 pF的光电二极管耦合ADPD1081以实现优质性能,而且可用于任何LED。ZRAednc

当LED发光时,血液和组织会吸收不同数量的光子,导致光电检测器检测到不同的结果。光电检测器测量血液脉动的变化并输出一个电流,该电流随后经放大和滤波以供进一步分析。下图显示了一个由交流(AC)和直流(DC)分量组成的一般PPG信号。PPG波形的直流分量检测组织、骨骼和肌肉反射的光信号,以及动脉和静脉血液的平均血容量。交流分量则表示心动周期的收缩期和舒张期之间发生的血容量变化,交流分量的基频取决于心率。ZRAednc

ZRAednc

含交流和直流部分的典型PPG信号ZRAednc

此外,PPG信号易受周边组织的不良血液灌流和运动伪像的影响是众所周知的,为将这些因素的影响降至低点,以免干扰随后的PPG分析和心率估计,须有一个预处理阶段。需要一个带通滤波器来消除PPG信号的高频成分(如电源)和低频成分(如毛细血管密度和静脉血容量的变化、温度变化等等)。ZRAednc

本文小结:ZRAednc

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。基于光学测量的可穿戴生命体征监测方案为人们的日常健康监护提供了便捷高效率的实施方案。ZRAednc

责编:Demi
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 波兰网友拆德国产电源插排,内部竟是中国制造?! 本文将会介绍LogiLink LPS262U电源插排(接线板)——包含三个USB端口和两个Schuko插座——的内部结构及其简短测试。
  • 理想ONE高速起火烧成光架,其1.2T三缸增程器曾被指隐藏 近期,网络平台上发布了一段理想ONE在行驶过程中,车辆出现起火的视频内容。现场拍摄的灭火后图片显示,该轿车过火后仅剩骨架,车辆前部增程器位置受损严重,车辆尾门已经在过火后从车身主体脱落。此前,曾有国内汽车媒体对一台行驶了10万公里的理想ONE的东安1.2T三缸增程发动机进行拆解,被指隐藏暗病。
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 【领优秀论文集】Cadence 用户大会已开放注册
  • 儿童电子学(二):电容器 电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。
  • GaN是否可靠? GaN产业已经建立一套方法来保证GaN产品的可靠性,因此问题并不在于“GaN是否可靠?”,而是“如何验证GaN的可靠性?”
  • Cadence中国区线上用户大会-2022 会议将集聚Cadence的技术用户、开发者与业界专家,涵盖最完整的先进技术交流平台,从IP/SoC设计、验证仿真、系统分析及多物理场仿真、计算流体力学,到封装和板级设计的全流程的技术分享, 以及针对自动驾驶、人工智能、网络和5G/6G、云服务等创新应用的客户案例分享。您也将有机会和开发Cadence工具和IP的技术专家们进行对话。与此同时,还有丰富礼品等您来赢。 新的故事总会在盛夏开始序曲,新的灵感也极有可能于技术交流中迸发。
  • EA Elektro-Automatik代表与中国驻德大使共商中国市 EA Elektro-Automatik受邀参加主题为“变革中的贸易?不确定性时代的中德经济关系展望”的高层外贸战略论坛,为公司在中国市场实现重要增长进行规划并奠定基础。
  • 碳化硅电力电子应用不止于汽车 第三代宽禁带半导体——碳化硅(SiC)——正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。
  • 拆解一个中国产的“树莓派”开发笔记本,售价279美元值 “树莓派”在全球市越来越受欢迎,甚至有家长开始让孩子用树莓派学习开发产品。有中国厂商嗅到,率先开发出了基于“树莓派”笔记本——CrowPi L ,外观看和普通笔记本差不多, 但却是基于树莓派Raspberry Pi 4B 开发板的套件,专为 STEM 教育而设计,带有可选的电子模块和教程。EDN发现有外媒对其进行了拆解,接下来将这篇拆解文章分享给大家:
  • 波兰网友测试拆解中国产手电筒/手提灯,会不会发起客诉? 本文将对中国制造的COB LED HP1807带移动电源的手提灯/手电筒的内部(包括电池容量)进行简短的测试和分析。在本主题中,我还将展示其电路板上连接的详细草图,这实际上也构成了其原理图。
  • 增强型GaN HEMT的漏极电流特性 增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经采用两种不同的结构开发出来。这两种增强型结构是金属-绝缘层-半导体(MIS)结构和栅极注入晶体管(GIT)结构。MIS结构具有受电压驱动的小栅极漏电流,而GIT则具有脊形结构和高阈值电压。两者也都有一些缺点。MIS对栅极干扰的可靠性较低,阈值电压较低,而GIT的栅极开关速度较慢,栅极漏电流较大。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了