医学专业人员早就认识到生理生命体征作为人类健康指标的重要性，但当前的COVID-19大流行也提高了公众对其重要性的认识。

不幸的是，大多数发现自己正在接受持续的生命体征监测的人可能已经在临床环境中治疗急性疾病。未来的医疗保健模式将不再使用生命体征作为疾病治疗和患者康复有效性的指标，而是采用持续和远程的生命体征监测作为确定疾病发作的潜在指标的工具，使临床医生能够在严重疾病发展之前尽早采取干预措施。

据设想，越来越多的临床级传感器集成将最终使开发一次性的、可穿戴的生命体征健康贴片成为可能，这种贴片可以定期丢弃和更换，如隐形眼镜。

虽然许多健康和健身可穿戴设备都包含生命体征测量功能，但其读数的完整性可能存在问题，原因包括使用的传感器质量(大多数不是临床级)、安装位置以及佩戴时的身体接触质量。

虽然这些设备足以满足非卫生专业人员使用一种方便舒适的可穿戴设备进行随意自我观察的愿望，但它们不符合训练有素的医疗专业人员在适当评估个人健康并作出知情诊断方面所需的性能和准确性标准。

另一方面，目前用于在较长时间间隔内提供临床级生命体征观察的设备体积大，携带程度不同，不舒服。在这个设计方案中，我们回顾了四种生命体征测量的临床意义——血氧饱和度(SpO2)、心率(HR)、心电图(ECG)和呼吸频率(RR)——并考虑了提供每种临床级别读数的最佳传感器类型。

血氧饱和度

健康人的血氧饱和度通常在95-100%之间。然而，血氧饱和度为93%或更低可能表明个人正在经历呼吸窘迫(例如，COVID-19患者的常见症状)，这使其成为医务专业人员定期监测的重要生命体征。Photoplethysmography (PPG)是一种光学测量技术，使用多个LED发射器照射皮肤表面下的血管，光电二极管接收器检测反射光信号，从而计算SpO2。虽然PPG光信号已成为许多腕带可穿戴设备的共同特征，但它容易受到运动伪像和环境照明的瞬态变化的干扰，这可能会导致虚假读数，这意味着这些设备不能提供临床级别的测量。在临床环境中，测量血氧饱和度的方法是使用戴在手指上的脉搏血氧仪(图2)，通常是连续地连接在固定病人的手指上。虽然有电池供电的便携式版本，但它们只能用于间歇测量。

心率和心电图

健康的心率通常被认为在每分钟60-100次的范围内，然而，每次心跳之间的时间间隔不是恒定的。通常被称为心率变异性(HRV)，这意味着心率是在几个跳动周期中测量的平均值。在一个健康的个体中，心率和脉搏几乎是相同的，因为血液随着心肌的每次收缩被泵到全身各处。然而，一些严重的心脏疾病会导致心率和脉搏率不同。

例如，在心房纤颤(Afib)等心律失常的情况下，并非心脏内的每一次肌肉收缩都会将血液泵到全身，相反，血液会在心脏腔内积聚，这可能会危及生命。Afib很难检测，因为它有时是间歇性的，而且只在短的短暂时间内发生。

根据世界卫生组织的数据，40岁以上人群中有四分之一的中风是由Afib引起的，这一事实证明了能够检测和治疗这种疾病的重要性。由于PPG传感器在假定HR与脉搏率相同的前提下进行光学测量，因此不能依靠它们来检测Afib。这就需要在较长的时间间隔内连续记录心脏的电活动——心脏电信号的图形表示称为心电图(ECG)。

动态心电图监护仪是临床上最常见的用于该目的的便携式设备。虽然与临床使用的静态心电图监测器相比，这些监测器使用的电极更少，但它们可能有些笨重，佩戴起来不舒服，尤其是在睡觉时。

呼吸率

每分钟12-20次呼吸是大多数健康人预期的呼吸频率(RR)。呼吸频率超过每分钟30次可能是由发烧或其他原因引起的呼吸窘迫的指标。虽然一些可穿戴解决方案使用加速计或PPG技术来推断RR，但临床级别的RR测量是通过使用心电信号中包含的信息，或使用附着在患者身体上的两个或多个电极来表征皮肤电阻抗的生物阻抗(BioZ)传感器来进行的。

虽然fda批准的ECG功能可用于一些高端健康和健身可穿戴设备，但生物阻抗传感是一个通常不提供的功能，因为它需要包含一个单独的BioZ传感器IC。除了RR, BioZ传感器还支持生物电阻抗分析(BIA)和生物电阻抗光谱(BIS)，两者都用于测量身体肌肉、脂肪和水成分水平。BioZ传感器还可以实现阻抗心动图(ICG)，并用于测量皮肤电反应(GSR)，这是一个有用的压力指标。

3-in-1传感器

临床级生命体征AFE IC的功能框图如图1所示，该IC将PPG、ECG和BioZ三个独立传感器的功能集成到一个包中。

图1 MAX86178超低功耗、三合一临床生命体征AFE(来源:Analog Devices)

其双通道PPG光学数据采集系统支持多达6个LED和4个光电二极管输入，LED可从两个大电流，8位LED驱动器编程。接收路径有两个低噪声、高分辨率的读出通道，每个通道包括独立的20位adc和环境光抵消电路，在120Hz时提供超过90dB的环境抑制。PPG通道的信噪比高达113dB，仅支持16 μ A的Sp02测量。

下一个:三合一传感

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心电通道是一个完整的信号链，提供了收集高质量心电数据所需的所有关键特征，如灵活增益、临界滤波、低噪声、高输入阻抗和多种导联偏置选项。附加功能，如快速恢复，交流和直流引线检测，超低功率引线检测，和右腿驱动，使坚固的操作在苛刻的应用，如手腕佩戴的设备与干电极。模拟信号链驱动18位sigma-delta ADC，具有广泛的用户选择的输出采样率。

BioZ接收通道具有EMI滤波和广泛的校准功能。BioZ接收通道还具有高输入阻抗、低噪声、可编程增益、低通和高通滤波器选项以及高分辨率ADC。有几种模式产生输入刺激:平衡方波源/汇电流，正弦波电流，正弦波和方波电压刺激。刺激强度和频率的范围很广。它还支持BIA、BIS、ICG和GSR应用。

FIFO计时数据允许所有三个传感器通道同步。这种AFE IC采用7 x 7 49凸片级封装(WLP)，封装尺寸仅为2.6mm x 2.8mm，使其成为理想的设计，例如，临床级可穿戴胸部贴片(图2)。

图2支持BIA和连续RR/ICG、ECG、SpO2 AFE的两个湿电极胸片(来源:Analog Devices)

图3说明了如何将这种AFE设计成腕式可穿戴设备，以提供按需的BIA和ECG，并提供连续的HR、SpO2和EDA/GSR。

图3:腕式设备，四个干电极支持BIA和ECG，持续HR, SpO2和GSR AFE(来源:Analog Devices)

总结

血氧饱和度、心率、ECG和RR是医疗专业人员用于诊断目的的重要生命体征测量。使用可穿戴设备进行持续生命体征监测将是未来医疗保健模型的一个关键组成部分，可以在症状出现之前预测疾病的发作。

目前许多可用的生命体征监测器产生的测量结果不能被医疗专业人员使用，因为它们使用的传感器不是临床级的，而其他一些监测器根本不能准确测量RR，因为它们没有BioZ传感器。

在这个设计解决方案中，我们提出了一种集成了三个临床级传感器——PPG、ECG和BioZ的集成电路，并展示了如何将其设计到胸部和腕部可穿戴设备中，以测量SpO2、HR、ECG和RR，同时还提供额外有用的健康相关功能，包括BIA、BIS、GSR和ICG。除了应用于临床级可穿戴设备之外，这种集成电路也非常适合集成到智能服装中，以提供高性能运动员所需的信息类型。

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Andrew Burt是Analog Devices工业和医疗事业部的执行业务经理