生命體徵作為人體健康指標的重要性早就被醫療專業人員所認識，目前的COVID-19大流行也增強了公眾對其重要性的意識。不幸的是，大多數發現自己正接受持續生命體徵監測的人，可能已經處於治療急性病症的臨床環境中。
未來的醫療健康模式將不是使用生命體徵作為疾病治療有效性和患者恢復的指標，而是採用連續遠端生命體徵監測作為識別疾病發作的潛在指標的工具，讓醫生可以在嚴重疾病形成之前的最早時機採取干預措施。人們設想臨床級感測器不斷提高的整合度最終將使得定期更換的一次性可穿戴式生命體徵健康貼片(就如同隱形眼鏡)的開發成為可能。
圖1：護士記錄醫院病人的生命體徵。
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雖然許多健康和健身可穿戴式裝置包含生命體徵測量功能，但其讀數的完整性則是存疑，原因包括所使用感測器的品質(大多數不是臨床等級)、其安裝位置、穿戴時與身體接觸的品質等。對於非醫療健康專業人員而言，這些裝置足以滿足其使用一種便利舒適的可穿戴式裝置輕鬆進行自我觀察的願望，但其未達到必要的性能和精度標準，醫療專業人員無法使用其來正確評估個體健康狀況並作出明智的診斷。另一方面，目前用於提供長時間臨床級生命體徵觀測的裝置體積龐大，影響使用舒適度，可攜程度參差不齊。
本設計解決方案考察了四種生命體徵測量的臨床意義——血氧飽和度(SpO2)、心率(HR)、心電圖(ECG)和呼吸頻率(RR)，並考慮了為每種測量提供臨床級讀數的最佳感測器類型。本文討論了目前測量解決方案的缺點，然後提出一種高整合度醫療健康感測器AFE——其將三個不同生物感測器的功能結合在一個封裝中，有可能使可穿戴一次性生命體徵健康貼片的概念變成現實。
血氧飽和度
健康個體的血氧飽和度通常在95~100%的區間。如果SpO2水準為93%或更低，可能說明個體正在經歷呼吸窘迫的情況——這也是COVID-19患者的一個常見症狀。因此，血氧飽和度是醫療專業人員需要定期監測的一個重要生命體徵。光電容積脈搏波(PPG)是一種光學測量技術，使用多個LED發射器照亮皮下血管，並使用光電二極體接收器檢測反射光訊號，從而計算SpO2。其已成為許多腕戴可穿戴式裝置的常見特性。但PPG光訊號容易受到運動偽影和環境照明中瞬態變化的干擾，可能導致雜散讀數，因此這些元件不能提供臨床級測量。在臨床環境中，SpO2是利用戴在手指上的脈搏血氧儀進行測量(圖2)，血氧儀通常連續地附接到固定患者的手指。雖然存在電池供電的可攜式版本，但其只能用於間歇性測量。
圖2：戴在手指上的脈搏血氧儀測量SpO2。
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心率和ECG
一般認為每分鐘60~100次的心率是健康的，但每次心跳之間的時間間隔不是恆定的，這通常被稱為心率變異性(HRV)，表示心率是在多個心跳週期上測量的平均值。健康個體的心率和脈搏率幾乎相同，因為血液隨著心肌的每次收縮而泵送到全身，然而，一些嚴重的心臟狀況可能導致心率和脈搏率不同。例如，在心房顫動(Afib)等心律失常的情況下，並非每次心肌收縮都會將血液泵送到全身，血液可能在心臟本身的心室內積聚，這是一種可能危及生命的情況。
Afib可能很難檢測，因為它有時會間歇性發生，並且持續時間短暫。世界衛生組織報告，在40歲以上的所有中風病人中，有四分之一是由Afib引起的，這充分說明了檢測和治療這種狀況的重要性。PPG感測器進行光學測量的基本假設是心率與脈搏率相同，這一假設不適用於Afib，因此檢測Afib不能依靠此類感測器。AfiB檢測需要長時間連續記錄心臟的電活動——心臟電訊號的圖形表示稱為心電圖。Holter監護儀(圖3)是適合此種用途的最常見臨床級可攜式裝置。其使用的電極比臨床環境中的靜態ECG監護儀要少，但可能有點笨重而影響佩戴的舒服性，尤其是睡眠時。
圖3：用於連續ECG監測的Holter監護儀。
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呼吸頻率
每分鐘呼吸12~20次是大多數健康人的預期呼吸頻率。呼吸頻率超過每分鐘30次，可能是發燒或其他原因引起的呼吸窘迫的跡象。有些可穿戴式裝置解決方案使用加速度計或PPG技術推算RR，但RR的臨床級測量是利用ECG訊號中包含的資訊進行的，或利用表徵皮膚電阻抗(將兩個或更多電極附著在患者身體上)的生物阻抗(BioZ)感測器進行。
一些高階健康和健身可穿戴裝置可提供經FDA核准的ECG功能，但通常不提供生物阻抗檢測特性，因為後者需要包含單獨的生物阻抗感測器IC。除RR外，生物阻抗感測器還支援生物電阻抗分析(BIA)和生物電阻抗頻譜分析(BIS)，這兩種分析可用於測量身體肌肉、脂肪和水分組成。生物阻抗感測器還能實現阻抗心臟造影(ICG)，以及用於測量皮膚電回應(GSR)——這是反映壓力水準的實用指標。
3合1感測器解決方案
圖4顯示了臨床級生命體徵AFE IC的功能框架圖，其將三個不同感測器的功能——PPG、ECG和BioZ——整合到單一封裝中。
圖4：MAX86178超低功耗、3合1臨床級生命體徵AFE。
(來源：ADI)
其雙通道PPG光學資料擷取系統支援最多6個LED和4個光電二極體輸入，LED可利用兩個高電流8位LED驅動器編程。接收路徑具有兩個低雜訊、高解析度讀出通道，每個通道包含獨立的20位元ADC和環境光消除電路，在120Hz時提供超過90dB的環境光抑制能力。PPG通道具有高達113dB的SNR，支援SpO2測量，功耗僅16μA。
ECG通道是一個完整的訊號鏈，提供了收集高品質ECG資料所需的全部關鍵特性，例如彈性的增益、臨界濾波、低雜訊、高輸入阻抗和多個導聯偏置選項。其他特性——例如快速恢復、交流和直流導聯脫落檢測、超低功耗導聯開啟檢測和右腿驅動——支援在高要求應用(如具有幹電極的腕戴式裝置)中實現穩健的操作。類比訊號鏈驅動18位元Σ-Δ型ADC，提供寬廣範圍的使用者選擇輸出採樣速率。
BioZ接收通道具有EMI濾波和豐富的校準特性。Bioz接收通道還有高輸入阻抗、低雜訊、可編程增益、低通和高通濾波器選項，以及高解析度ADC。產生輸入激勵的方法有多種：平衡方波拉電流/灌電流、正弦波電流，以及兼有正弦波和方波的電壓激勵。其提供寬廣範圍的激勵幅度和頻率。並支援BIA、BIS、ICG和GSR應用。
FIFO時序資料可用於同步所有三個感測器通道。該AFE IC採用7 × 7 49接腳晶圓級封裝(WLP)，封裝尺寸僅為2.6mm × 2.8mm，非常適合放入臨床級可穿戴式胸部貼片等裝置中(圖5)。
圖5：胸部貼片具有兩個支援BIA的濕電極和連續RR/ICG、ECG、SpO2 AFE。
(來源：ADI)
圖6說明了如何將該AFE導入腕戴可穿戴式裝置中，從而為依需BIA和ECG提供連續HR、SPO2和EDA/GSR。
圖6：腕戴式裝置具有四個幹電極，利用連續HR、SpO2和GSR AFE支援BIA和ECG。
(來源：ADI)
結語
SpO2、HR、ECG和RR是重要的生命體徵測量，醫療健康專業人士使用這些測量結果進行診斷。使用可穿戴式裝置連續監測生命體徵以防患未然，將是未來醫療健康模式的關鍵組成部分。現有的一些生命體徵監護儀使用的不是臨床級感測器，因而其產生的測量結果不能被醫療健康專業人士使用；還有一些產品由於未包括生物阻抗(BioZ)感測器，根本不具備精準測量呼吸頻率(RR)的能力。
本設計解決方案提出了一種將三種臨床級感測器——PPG、ECG和BioZ——整合到單一封裝中的IC，並展示其能被放入胸部和腕戴式可穿戴裝置中，用來測量SpO2、HR、ECG和RR，同時提供其他與健康相關的有用特性，包括BIA、BIS、GSR和ICG。除了用於臨床級可穿戴式裝置之外，該IC同樣非常適合整合到智慧服裝中，提供高水準運動員所需的相關資訊。
本文同步刊登於EE Times China 9月號雜誌
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