议题 生命体征监测简介 可穿戴式生命体征监测技术 生命体征监测应用案例 生物电信号测量 ECG 和心率监测 PPG/ 光学测量 光学信号链 分立式与集成式模块 HRM/HRV 与 SpO2 生物阻抗测量 皮肤电活动 (EDA) 人体阻抗分析 (BIA) 运动检测 总结 2

可穿戴和临床生命体征监测技术 1

议题 生命体征监测简介 可穿戴式生命体征监测技术 生命体征监测应用案例 生物电信号测量 ECG 和心率监测 PPG/ 光学测量 光学信号链 分立式与集成式模块 HRM/HRV 与 SpO2 生物阻抗测量 皮肤电活动 (EDA) 人体阻抗分析 (BIA) 运动检测 总结 2

为什么要测量生命体征? 生命体征主要有 心率 [50-80BPM] 血压 [120/80] 体温 [37-38C] 呼吸率 [12-20 次 /m] 测量生命体征是为了观察人的状态 数值需要在某个范围以内 ( 范围与年龄有关 ) 生命体征有助于医生得出正确的诊断结论 在用药和治疗期间测量生命体征是为了监测 ( 所需 ) 效果 增加对个人健康状况的认识 3

生命体征参数测量趋势 临床生命体征监测 遥测 高性能 FDA/CE 认证以病人为中心在医院实施 高性能 FDA/CE 认证以病人为中心在医院 / 家里实施 ECG SpO2 CO2 呼吸率体温血压 ECG SpO2 医院里 可穿戴式生命体征监测 专业 / 半专业市场 远程监测有监管 ECG 心率 呼吸率 SpO2 EDA 运动 体温 运动健身 低性能无监管个人兴趣 心率监测计步运动分析皮肤温度 EDA 医院外 4

生命体征监测机会无处不在 医疗 家里 运动健身 汽车 军事 安防 生活辅助 5

可穿戴式生命体征监测的必要技术 活动水平 人体成分 压力水平 生命体征 MEM 运动检测 阻抗测量阻抗 / 光学测量 光学 / 生物阻抗 / 生物电信号 6

生物电测量 7 7

生物电位测量 一个心跳周期 u P- 波 : 心房收缩 u QRS: 心室兴奋 u T- 波 : 心室激动后的复原活动 8

信号与干扰因素 AFE + ADC 主要电气要求 带宽 0.05-150 Hz 幅度 1-10mV pkpk 噪声 RTI 差分输入电压范围 10µV pkpk ±1V 功率 功率 品质因数 :SNR/uW AFE ECG 信号 ECG 信号 9 半电池 基线 呼吸等 ECG 通带 频率 50/60 ESIS 起搏呼吸载波 DEFIB.. RF 半电池 基线等 ECG 通带 频率 50/60 RF

AD8233 超低功耗单引脚 ECG 前端 64 BPM AD8233 特性 双极点高通滤波器 消除电极直流失调 可选截止频率 (0.05 至 10Hz) 三阶低通滤波器 集成快速恢复电路 (FR) 交流和直流导联脱落检测 集成右腿驱动 (RLD) 工作电压 :1.7-3.5V( 由电池直接供电, 无需稳压器 ) 正常模式 :50µA 关断模式 :<1uA 微型 2mm x 1.7 mm WLCSP 封装 10 ADUCM3029 u 目标应用 u 健身及运动心率监测 u 便携式远程家用 ECG 测量系统 u 任何低端心脏系统

通过带宽与时间响应 目标频段因应用案例而异 : 运动 (7-25Hz) 监测 (0.5-40Hz) 诊断 (0.05-150Hz) 11

快速恢复功能 12

光学测量 13

用于测量 HRM 和 HRV 的 PPG 检测技术 PPG: 光学容积描述术 = 用于监测心血管体系压力和容积的方法 透射法 : 在被检测部分两侧相对放置发射器和接收器 光沿肌肉传播, 然后在传感器另一侧予以捕捉 反射法 : 在被检测部分同一侧放置发射器和接收器 光穿过皮肤, 其中一部分被反射到传感器上 动脉直径 交流分量 直流分量 传感器 PPG 信号 透射法 反射法

用 PPG 测量血氧饱和度 (SPO2) 吸收率 波长 (nm) uspo 2 为完全饱和的氧合血红蛋白 (HbO 2 ) 与总血红蛋白 (HbO 2 + Hb) 的比例, 表示为百分比 典型读数范围为 70%-100% uspo 2 根据人的呼吸状况以及血液循环状况上下波动 15

光接收信号链与 ADPDxxxx 系列 TX RX 光传感器 LED LED PD ADPD22xx LED AFE ADC 光 AFE 原始数据 控制寄存器 ADPD10x/108x LED 控制 光学模块 ADPD14x/17x/18x 16

光学系统设计挑战 环境光的干扰 外部光源干扰接收信号 通过机械设计予以抵消 采用智能环境光抑制技术 运动伪影 集成补偿运动传感器 (ADxL362) 通过机械设计减少运动伪影 人体生理机能 人体部位决定应用案例 部位和应用案例决定光学设计 机械设计和光信号路径 决定最佳光电二极管尺寸及 LED 波长 最佳 PD/LED 间距 限制光学串扰限制 (ILP= 内部光污染 ) 17

光学模拟前端和路线图 ADPD105/106/107 ADPD1080/ADPD1081 4 个光学 RX 通道 3 个 LED 电流源 ( 最高 250mA) 模拟环境光抑制 I2C 和 SPI 选项 EDA 功能 SNR/ 瓦特比提升 2.7 倍 电池寿命更长 更多的触发选项 噪声和功耗均有改善 PSRR 性能更强 具备低压绿色 LED 运行能力 增强了 ECG 等高灵敏度电压测量功能 引脚和寄存器兼容 ADPD10X 系列零件 已量产 刚发布 18

设计光学信号链 : 使用分立式模块还是集成式模块? 分立式解决方案 灵活选择光电二极管 / 尺寸和 LED 波长 可优化 RX/TX 传感器位置 需要光学 / 机械和电子设计资源 可能需要镜头和塑料 通常需要多次迭代设计 集成式模块 传感器尺寸固定 配置选项与 PD 和 LED 的位置受限 设计速度快, 上市时间短 需要的设计知识较少 玻璃窗后的优秀解决方案 小尺寸 LED PD ADPD 19

ADPD174GGI光学模块及其后续产品 ADPD174GGI 已发布 ADPD188GG 已发布 面向腕部PPG的全集成式模块 相同功率下 交流SNR性能提升3至6倍 深色皮肤 近距IR LED 超薄设计 低ILP 光学串扰 在透明容器后实现出色性能 更强的 在皮 检测能力 支持PD内环境抑制 实现超低噪声 PSRR性能更强 分离ECG输入 精度更高 具备低压绿色LED运行能力 消除升压转换器 玻璃窗下性能最佳的模块 20

ADPD188GGZ: 面向光学 HRM/HRV 的光学模块 特性 完整的光学模块, 基于 ADD108x + 分立式光学器件 模块尺寸 :3.8mmxx 5.0mm x 0.9mm 2 个绿色 LED,2 倍 PD + IR 截止滤波器 2 个辅助输入 优化的 SNR 性能 3 个 LED 电流源 ( 各 370mA) 目标应用 光学 HRM / HRV 反射式 SpO2 测量 连续血压 (CNiBP) 测量 21

ADPD 系列成员概述 产品型号 目标应用 光电二极管输入 集成 光电二极管 LED/ 通道 注释 ADPD103BCPZ ADPD103BCBZ 通用光学 AFE 4 (x2) 通道 1 (x2) 通道 否 3 个电流源 4mmx4mm LFCSP 2.5x1.4mm WLCSP ADPD105/6/7 第二代光学 AFE 4 (x2) 通道 1 (x2) 通道 否 3 个电流源 I2C / SPI 接口 增强的 SNR 性能 ADPD1080/81 第三代光学 AFE 4 (x2) 通道 否 3 个电流源 增强的 SNR- 功率 /PSRR 性能 ADPD142RG ADPD142RI 心率监测 SPO2 4x0.3mm2 是 1x 红,1x 绿 1x 红,1x IR ADPD144RI SPO2 4x0.3mm2 是 1x 红,1x IR 增强的 ILP 性能 ADPD153GGRIZ 心率监测 1x0.9mm2 1x0.3mm2 是 1x 红,1x IR 2x 绿 分拆窗 ADPD173GGIZ 心率监测 1x0.9mm2 1x0.3mm2 是 1x IR / 2x 绿增强的 ILP 性能 ADPD174GGIZ 心率监测 1x1.2mm2 是 1x IR / 2x 绿增强的 ILP 性能 ADPD18xGGZ 心率监测 / 近程检测 1x0.4mm2 1x0.8mm2 是 2x 绿增强的光学性能 / 辅助输入 22

同步 ECG 和 PPG, 适用于无创式血压监测 23

光学评估板 器件板 接口板 VLED 1.8V 光学系统 ADPD I2C EXT IRQ 1.8V ADXL362 SPI EXT IRQ EVAL-ADPDxxx EVAL-ADPDUCZ EVAL-ADPD105Z-GEN 24

生物阻抗测量 25 25

各种生物阻抗测量应用案例应用与要求 EDA/GSR( 皮肤电活动 / 皮肤电反应 ) 皮肤 ( 表面 ) 信息 DC 至 200Hz 激励信号 始终在线型应用 连续 压力和睡眠监测 放松 压力活动 BCM/BIA( 身体成分测量 / 生物阻抗分析 ) 细胞应用 不同组织类型 : 脂肪型 肌肉型 水型 骨型等 50kHz 激励信号 一天两次 非连续 水合 细胞应用 不同的体液房室 :ICF ECF ISF 等离子等 频率 (50kHz 100kHz 150kHz 200kHz) 连续检测和现场检测应用 高阻态 低阻态 26

用于测量压力水平的皮肤电活动为什么压力很重要? 失眠 饮食紊乱 抑郁 焦虑和恐慌发作 感冒和病毒 循环系统疾病 全身或局部感染 糖尿病 心脏病 癌症 http://www.lifescript.com/wellbeing/articles/i/illnesses_caused_by_stress.aspx 27

皮肤电活动面向 EDA 测量的分立式解决方案 28

人体阻抗生物电阻抗分析 (BIA) 29

人体阻抗 4 线 ADuCM350 电路 IEC60601 电路功能 : 1. 生成交流模拟电压 2. 测量未知 Z 的电流 3. 没理未知 Z 的电压 30

运动检测 31 31

用 MEMS 超低功耗器件进行运动检测转向价值更高的医疗健康模式 经典 HCR 应用案例 可穿戴式设备中的 MEMs (24/7) 运动跟踪 / 曲线绘制 AED 支持 假肢控制 运动伪影抑制 计步 32 血压监测 ( 电平控制 ) 燃烧卡洛里 跌倒检测

ADXL362 微功率三轴,±2g/4g/8g 数字加速度传感器业内功耗最低的 MEMS 加速度计 超低功耗 300 na 运动激活唤醒模式 3.0 μa, 可覆盖高达 400Hz 的完整 ODR(12 位分辨率 ) 10nA 待机电流 内置多种系统级节能功能, 包括 : 用于运动激活的可调阈值休眠 / 唤醒模式 多采样活动检测, 消除 误检 运动 深度嵌入式 FIFO 最大程度地减轻主机处理器负荷 连续采样,ODR 最高达 400Hz, 无欠采样或混叠! 12 位分辨率 :1 mg/lsb @ ±2g 范围噪声低至 175 μg/ Hz 宽电源和 I/O 电压范围 :1.6 V 至 3.6 V 通过外部触发器进行加速度采样同步小尺寸 薄型 (3 mm x 3.25 mm x 1.06 mm) 封装 33

一站式服务满足可穿戴式生命体征监测需求 运动 :ADxL36x 系列 ADI 健康平台 PPG:ADPD1xx 系列 72bpm 75bpm 77bpm 模块化设计 皮肤温度 :ADT7xxx EDA/GSR:AD59xx / M350 ECG:AD823x / ADAS1k 34

谢谢观看! ADI 中国地区技术支持热线 :4006 100 006 ADI 中国地区技术支持信箱 : china.support@analog.com ADI 样片申请网址 : http://www.analog.com/zh/sample 35