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2020年中，世界卫生组织发布报告显示：2000年至2016年期间，全球预期寿命增长了8%以上，健康预期寿命也从平均59岁增长到63岁。年轻一代除了有机会享受到世界一流的医疗健康服务，还受益于越来越智能的健康监测传感器等智能设备——过去十年手机、可穿戴设备和数字健康领域取得巨大进步，数字医疗健康得到了迅速扩张。
当前的可穿戴设备仍面临着不小的挑战。在其小尺寸的天然限制下，消费者却对低功耗、长续航和高精度的提出了不低的要求。与此同时，随着可穿戴设备监测项目、功能的增加（如心率监测、运动计步、血压及移动支付等），对内部高度集成的电子组件的需求也在不断提高。本文以将ADI ADPD4000单芯片生物医学模拟前端为例，详细解读其产品特点及应用方案。
功能与体积相悖，可穿戴设备如何破局？
根据IDC数据，2019年全年可穿戴设备出货量达到3.365亿部，同比增长了89%。可穿戴市场呈逐年上升趋势的同时，其应用边界也在不断扩张——以智能手表为例，在健康管理方面其需要监测用户的体温、心率、呼吸频率、血氧饱和度、血压和身体成分等各种生命体征和健康指标。面对健康监测功能需求的激增，可穿戴设备内部传感器、芯片等元器件数量也随之“水涨船高”，并带来一系列的连锁反应。
比如，如果可穿戴设备将心率监护仪与运动传感器结合使用，可对用户进行活动跟踪。正所谓“牵一发而动全身”，在设备内部意味着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，这不仅会增大整个电路的尺寸、所需的功率，同时也导致总成本增加。此时，一个可连接各个传感器的主信号链就显得尤为重要。
ADI公司推出的ADPD4000采用极为灵活的架构，填补了当前市场的空白。除了提供生物电势和生物阻抗读数外，ADPD4000还可以管理光电式测量前端、引导LED和读取光电二极管。同时，ADPD4000配有一个用于补偿的温度传感器和一个开关矩阵，可引导所需的输出和获取信号，无论是单端信号或差分电压信号均可。此外，还可以选择单端输出或差分输出，具体由ADPD4000要连接的ADC的输入要求决定。该器件可以编程采用12个不同的时间带，每个专用于处理特定的传感器。
借助ADPD4000，可穿戴ECG实现精准测量
现代医学研究显示，人类心律失常与冠心病、高血压、心脏衰竭等疾病密切相关。因此心率是反应个人健康状况的重要生理参数之一，其可以通过心电图（ECG）来检测。与传统的医用ECG设备相比，可穿戴ECG设备拥有小巧便利的先天优势，不过后者的精度是业界长久以来试图解决的问题。
ADPD4000系列的高级框图
对于可穿戴ECG而言，无论医用ECG设备采用的银/氯化银此类湿电极，还是干电极，其无法在与用户长期的接触中保证舒适性和精确度。而ADPD4000则完美的解决了这一问题：不管电极质量如何，都能提供精确的测量。基于ADPD4000的ECG电路并不使用电压输入，而是测量检测电容上累积的电荷。同时，通过从无源RC网络和采样速率计算出的最佳时间常数，充电过程可消除皮肤与电极接触阻抗的变化。上图显示了如何通过RC网络将ECG信号耦合到芯片中。该ECG电路具有固有的抗扰性，不受皮肤与电极之间接触阻抗变化的影响。
使用不同电极测得的两个ECG波形
上图则显示了使用不同质量电极测得的两个ECG波形，ADPD4000测得的两个波形几乎完全相同。其中，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4.7nF。与市场上的替代解决方案相比，这是ADPD4000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。同时，其功耗仅为150 μW至200 μW，对于注重功耗表现的可穿戴ECG设备来说无疑是一大利好。
玩转可穿戴两大测量，多功能性是关键
除了心率，呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征，同样需要辅以相应的监测手段。其中，光学测量和生物阻抗测量，分别需要发光二极管驱动器发光和向体内激励电流。此外，在许多光学系统中需使用不止一种波长。而ADPD4000的多功能性非常好的契合了上述要求。
ADPD4000/ADPD4100框图
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200mA，而整个驱动器部分则为400mA。其可以根据配置满足多时隙工作，每个时隙都以各自的波长来测量光电心率、血氧饱和度、水合或脱水等。同时，每个接收信号链均具有一个可编程跨阻放大器，其后则是一个双级抑制模块，以消除环境光干扰。
ADPD4000用于实施光电、生物电势、生物阻抗和温度测量
值得一提的是，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。这些应用在测量压降时需要激励电流，而ADPD4000系列支持此用例。此外，ADPD4000在配置为2线或4线测量模式时还可以结合配套芯片AD5940，实现阻抗光谱，用于测量电极质量或导线脱落检测。
结语
过去，医疗市场是以医生为中心，患者只在感觉不舒服或有明显健康问题时才去就医。如今，受益于越来越智能的健康监测智能设备的崛起，使得以病人为中心的方法受到了大众的认可。当前，可穿戴设备产生的健康信息对健康和疾病管理可以发挥重要作用。为了满足需求并使这些设备可供更广泛的人群使用，设计人员必须考虑成本、尺寸和功耗等常见需求。
ADI公司的这款突破性AFE ADPD4000展示了其作为多参数生命体征监测中枢的巨大优势。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，可以满足上述要求。
