利用集成式AFE实现无创心搏出量监测的解决方案

生命体征监测（VSM）设备可以采集多种电生理信号，例如心电图（ECG）、光电容积脉搏波（PPG）和生物电阻抗（Bio-Z）。这些信号能够反映人类生理状态的多个方面，广泛用于健康监测、疾病预防和辅助治疗。阻抗心动图（ICG）是一种重要的电生理信号检测技术。它通过追踪瞬时平均胸阻抗的变化来测量心搏出量（SV），从而评估人体的心脏血流动力学功能。本文将为您介绍ICG的基本原理和测量方法，以及基于ADI高度集成的模拟前端（AFE）芯片相关解决方案的功能特性。

阻抗心动图（ICG）是一种无创技术，通过测量与心脏活动相关的胸生物电阻抗的变化来评估心血管功能。心动周期中血容量的变化会导致相应的阻抗变化，从中可以推导出阻抗心动图及其一阶导数（dZ/dt）。dZ/dt波形包含反映心动周期关键生理事件的明显特征点，借助这些特征点可以提取重要血流动力学参数，如心搏出量（SV）和左心室射血时间（LVET）等。得益于其无创性、简易性和连续监测能力，ICG已广泛应用于生命体征监测（VSM）和心血管评估。
 
阻抗心动图（也称为ICG信号）通过生物电阻抗（Bio-Z）技术生成，能够反映血容量的变化。通过测量人体组织在弱交流电作用下的阻抗变化，可以获得反映血容量变化的心脏阻抗信号。在医疗环境中，大多采用广泛使用的四电极法来测量人体生物阻抗。此方法的原理是通过一对电极施加激励电流，同时使用另一对电极提取电压。
 
在这个生物阻抗测量应用中，可以采用ADI高度集成的模拟前端（AFE）解决方案，它有如下几个优点。首先，发射通道集成了一个正弦电流源，能够在16 Hz到500 kHz的宽频率范围内提供交流激励电流，电流幅度范围从16 nA_rms到1.28 mA_rms。频率和电流都是完全可配置的。此外，其灵活的输入／输出多路复用器（mux）支持双极性或四极性电极测量结构。接收通道具有高输入阻抗、低噪声和高共模抑制比（CMRR）等特性。它还提供可编程增益、可配置的低通／高通滤波器，以及两个集成的高分辨率模数转换器（ADC）（20位），支持同步I_Q信号采集。其次，对于需要高绝对阻抗精度的应用，例如生物阻抗分析／光谱（BIA/BIS）或自动体外除颤器（AED）中的身体阻抗测量，ADI的MAX30009提供了多种校准选项。通过将外部精密电阻连接到专用四线校准端口，可以实现非常高的精度。另外，其内部调整的精密电阻也能提供出色的校准性能。
 
ADI的生物电阻抗分析应用解决方案搭载高精度、高度可编程的阻抗数字转换器，利用电阻抗谱功能，支持各种生物阻抗应用的细胞内检测。此外，集成的数字引擎还可为各种应用提供出色的设计灵活性。人体成分分析范围涵盖体脂含量测量和先进的核心身体水分含量等分析。ADI提供完全集成的模拟前端，能够安全地在人体内导入微弱电流并测量电压，从而精确计算身体阻抗。
 
采用MAX32666、MAX20356和MAX30009组成的生物阻抗测量系统，是一个完整的生物阻抗测量解决方案。它采用高度集成且可编程的电源管理IC MAX20356来管理电源轨，并通过一个支持低功耗蓝牙®的微控制器单元（MCU）与生物阻抗AFE MAX30009进行通信。AFE的发射通道使用内部直接数字频率合成器（DDS）和数模转换器（DAC）生成频率可调的正弦波扫描电压。此电压通过偏置电阻转换为电流激励信号，并作用于人体。响应信号由AFE接收通道通过输入引脚处的测量获得。在ICG测量中，常用的激励信号频率范围为20 kHz到200 kHz，激励电流有效值约为0.12 mA，对应于0.1 Ω到0.4 Ω的人体交流阻抗范围。该应用将一个65.536 kHz和256 µA的激励信号作用于人体进行阻抗测量。
 
原始阻抗信号首先依次通过50 Hz陷波滤波器、中值滤波器和低通滤波器处理，以获得相对纯净的阻抗信号，然后对信号进行一次微分以获得ICG信号，ICG信号的峰值点则通过差分阈值法进行检测，得出的数值得以用于分析血容量的变化。

ADI推出的MAX30009是一款完整的低功耗、高性能生物阻抗（Bio-Z）模拟前端，用于在可穿戴应用中测量一系列生理状况。它旨在为健身、健康和临床应用提供高性能，超低功耗能够帮助延长电池寿命。Bio-Z接收信道在待机模式下具有静电放电（ESD）保护、电磁干扰（EMI）滤波、内部导联偏置、直流导联脱落检测、DRVN导联脱落检测和超低功耗导联开启检测功能。Bio-Z接收通道还具有高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比（CMRR）、可编程增益、各种低通和高通滤波器选项，以及用于同步I和Q采集的两个高分辨率模数转换器。
 
Bio-Z发射通道具有正弦波电流发生器，可将交流电流驱动到人体内，频率范围为16Hz至500kHz，幅度范围为16nA_RMS至1.28mA_RMS。发射通道还可以在正弦波电压和H桥模式下工作。灵活的输入／输出MUX可使用多组电极进行双极和四极测量。
 
对于需要高绝对阻抗精度的测量，例如生物阻抗分析／光谱（BIA/BIS）和自动体外除颤器（AED）身体阻抗，MAX30009提供多种校准选项。外部精密电阻可连接到四线式校准端口以实现高精度，内部微调电阻也提供高精度。基于PLL的时序子系统支持各种微调激励和采样频率，并且可以与其他ADI生物传感器同步，以同时采集数据。MAX30009采用2.03mm x 2.03mm、25引脚晶圆级封装（WLP），工作温度范围为-40℃至+85℃。
 
MAX30009可应用于可穿戴健身、健康和医疗设备、多频身体组成分析仪、无创式血液动力学监护仪、自动体外除颤器，并可优化精确检测性能，像是呼吸频率、皮肤电反应／皮肤电活动、生物电阻抗频谱、身体组成和体液分析、心阻抗图和体积描记法等。

ADI推出的MAX20356是一款高度集成和可编程的电源管理解决方案，专为超低功耗可穿戴设备应用而设计。该解决方案经过优化，旨在提高终端产品的价值，通过延长电池寿命和缩小整体解决方案尺寸来提高效率。一组经过功耗优化的灵活电压稳压器，包括多个降压转换器、一个升降压转换器和一组线性稳压器，可提供高度集成的能力，能够创建全面优化的电源架构。每个稳压器的静态电流极低，可为始终在线的应用延长电池寿命。
 
MAX20356包括一个完整的电池管理解决方案，具有电池密封、充电器、电源路径和电量计。充电器内置有热管理和输入保护功能。该套件还包含一个工厂可编程的按钮控制器，具有多个输入，可根据特定产品用户需求进行定制。
 
MAX20356是一款低噪声、1.5W的升降压转换器，可为光学心率系统（如PPG和SPO₂测量）中使用的LED提供高效和干净的电源转换。MAX20356还配备一个nano I_Q 快速瞬态LDO，专为模拟前端（AFE）传感器的使用进行了优化。MAX20356可通过I²C接口进行了配置，允许对各种功能进行编程并读取套件状态，包括通过监控多路复用器来读取温度和电源电压的能力。MAX20356提供63焊球、0.5mm间距、3.71mm x 4.48mm的晶圆级封装（WLP），具有-40℃至+85℃的扩展温度范围，可应用于可穿戴设备与物联网（IoT）。

ADI推出的MAX32666是一款低功耗ARM Cortex-M4基于FPU的微控制器，带有Bluetooth 5，适用于可穿戴应用。新一代UB MCU的设计旨在满足电池供电和无线连接设备的复杂应用需求。
 
DARWIN是一种新型低功耗微控制器架构，适合用在快速发展的物联网（IoT）中。该款智能型控制器搭配同类产品中较大的存储器，采用可以大规模扩展的存储器架构。器件采用可穿戴级别的电源技术，可以长久运行。持久耐用，能够经受高水平的网络攻击。DARWIN微控制器设计用于运行任何类型的应用，甚至是过去未曾设想会使用微控制器的情境。
 
Generation UB微控制器设计用于处理先进的电池供电设备和无线连接设备所需的越来越复杂的应用，同时提供可靠的硬件安全和蓝牙® 5低功耗（BLE）无线电连接。
 
MAX32666 UB类微控制器是采用DARWIN架构的先进片上系统，采用搭载FPU CPU的Arm® Cortex®-M4，高效地执行复杂的函数和算法计算，且提供集成式电源管理。它们还采用最新一代的蓝牙5低功耗无线电（吞吐量高达2Mbps），以及Maxim先进的硬件安全套件信任保护单元（TPU）。该器件提供大型板载存储器，提供1MB闪存和高达560KB SRAM，并可以使用纠错编码（ECC）配置为448KB SRAM。闪存按512KB拆分，各自支持无缝的无线升级，进一步提升了灵活性。通过两个SPI立即执行（SPIX）接口，支持数据（SRAM）和代码（闪存）空间的存储器可扩展性。
 
MAX32666支持多个高速接口，包括HS-USB、安全数字接口（SD、SDIO、MMC、SDHC和microSD™）、SPI、UART和I²C串行接口，以及支持PDM、PCM、I²S和TDM接口的音频子系统。提供8输入、10位ADC来监测来自外部传感器和仪表的模拟输入。该器件采用109引脚WLP（0.35mm间距）和121引脚CTBGA（0.65mm间距）封装，可应用于互联家居、游戏设备、可听戴设备、工业传感器、支付／健身／医疗可穿戴设备、远程医疗。

ICG信号是评估心血管健康状况的重要生物信号之一，与心脏功能和血流动力学密切相关。因此，准确获取和分析ICG信号对于心脏健康监测至关重要。ADI的MAX30009是一款专用的生物阻抗AFE器件，可生成各种激励信号（如正弦扫描信号），并能通过正交解调准确测量生物阻抗。它可用于采集ICG信号，实现对心脏活动的详细分析。它还支持与其他生物传感器一起进行同步测量，在可穿戴心血管监测应用中较传统方案具有明显优势。因此，它是构建高精度ICG信号测量系统的理想选择。