近年来，随着人们对于个人健康的重视日益加深，包括运动追踪、体征监测、健康评估等在内的运动和健康功能逐渐成为可穿戴设备的发展重点。各大设备生产厂商在产品设计和营销中通常也会突出这些与健康相关的功能，力求引导更多消费者以更健康的方式生活，从而增加销量。更有甚者，以苹果为代表，其 Apple Watch 还通过了美国食品药品管理局 FDA 的认证，获得了为医疗机构提供监控数据的资格。

医疗产业与可穿戴设备结合带来的好处显而易见：一方面，可穿戴设备使医生能够远程监控病人，允许病人更早地回到家中休养康复，减少昂贵的医疗费用；另一方面，通过可穿戴设备实现远程监控病人生命体征参数，能够以较少的专业人员监控更多的人群。不过这也给设备生产厂商带来了新的压力，由于这些应用都与健康息息相关且监测的生命体征指标项越来越繁杂，市场对于可穿戴设备的精确度与集成度要求也水涨船高。高性能模拟芯片厂商 ADI 结合自身的优势以及可穿戴医疗行业发展趋势，基于多年的医疗传感器设计经验，推出了准诊断级精度的高集成度解决方案。

生命体征监测，健康状态的晴雨表

生命体征是用来显示个人健康状况的一系列生理参数，堪称维持机体正常活动状态的晴雨表。过去的医疗市场是以医生为中心的，这意味着我们过去只在感觉不舒服或有更明显的健康问题时才去就医，例如在发生意外后。新技术（尤其是电子行业）发展创造了一种以病人为中心的方法，通过使用可穿戴设备，我们可以在更早的阶段检测到变化或异常。

心率是最常见的参数之一，心率超出正常范围可能表明存在诸如心动过缓（心率过低时）或心动过速（心率过高时）等疾病；呼吸是另一个关键生命体征，缺氧可能引起一系列呼吸系统的疾病发作；皮肤电导反应又称皮肤电反应，与交感神经系统密切相关，反过来又会直接参与调解情绪性行为，测量皮肤电导率可以反映病人的压力、疲劳、精神状态和情绪化响应等状况；此外，通过测量身体成分、瘦体质量和脂肪体质量的百分比，以及水合作用和营养程度，可以清楚展现个人的临床状态；测量运动和姿势可以提供有关受试者活动的有用信息；诸如血压和体温等指标同样也能一定程度反应个人身体状况。

为了监测心率、呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征，设备厂商通常需要采用各种传感器，且解决方案必须紧凑、节能和可靠。

生命体征监测的几种主要手段

• 光学测量

光学测量超越了标准的半导体技术，下图所示为光学测量的典型信号链。首先需要使用光源（通常是 LED）来生成光信号，它可能由不同的波长组成。几种波长组合在一起，可以实现更高的测量精度。还需要使用一系列硅或锗传感器（光电二极管）将光信号转化为电信号，也称为光电流。光电二极管在响应光源的波长时，必须具备足够的灵敏度和线性度。之后，光电流必须被放大和转换，因此需要高性能、节能、多通道模拟前端，以控制 LED、放大和过滤模拟信号，并按照所需的分辨率和精度进行模数转换。

用于光学测量的信号链

光学系统封装也具有重要作用。封装不仅是一个容器，还是包含一个或多个光学窗口的系统，可以过滤射出和射入的光，但不会产生过度的衰减或反射，从而损害信号的完整性。为了创建紧凑的多芯片系统，光学系统封装还必须包含多个器件，包括 LED、光电二极管、模拟和数字处理芯片。最后，通常还需要一种能够创建光学滤波器的涂层技术，用于选择应用所需的光谱部分并消除不需要的信号。即使在阳光下，该应用也必须能正常运行。如果没有光学滤波器，信号的大小会使模拟链饱和，使得电子器件不能正常工作。

• 生物电势和生物阻抗测量

生物电势是一种电信号，由我们体内的电化学活动的效应引起。生物电势测量示例包括心电图(ECG)和脑电图。它们在存在多项干扰的频段中，检查极低幅度的信号。因此，在对信号进行处理之前，必须对其进行放大和滤波。

生物阻抗是另一种测量方法，可以提供有关身体状态的有用信息。阻抗测量提供有关电化学活动、身体成分和水合状态的信息。测量每个参数需要使用不同的测量技术。每种测量技术所需的电极数量，以及应用该技术的时间点都因使用的频率范围而异。例如，在测量皮肤阻抗时使用低频率（高达 200 Hz），而在测量人体成分时，通常使用 50 kHz 固定频率。同样，为了测量水合作用，并正确地评估细胞内和细胞外的液体，会使用不同的频率。

一个完整的生物电和生物阻抗测量系统

• 使用 MEMS 传感器进行的运动测量

由于 MEMS 传感器可以检测重力加速度，所以它们可用于检测活动和异常，如不稳定的步态、跌倒或脑震荡，甚至是在受试者休息时监测其姿势。此外，MEMS 传感器还可作为光学传感器的补充，因为后者易受移动伪影影响；当这种情况发生时，可以使用加速度计提供的信息来进行校正。

集成模拟前端这样实现多参数测量

市场上有许多可组合两个或多个测量结果的多参数系统。考虑将心率监护仪与运动传感器结合使用，可以进行活动跟踪，或利用阻抗检测进行心率变异性跟踪，可用于压力监测或睡眠分析等应用。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，每个芯片都有各自的模数转换器(ADC)、各自至主处理器的接口以及需去耦的多个电源和基准电压。这将导致许多冗余的构建模块，从尺寸和功率角度来看，它并非一个最优的系统。在可穿戴系统中，再没有什么比拥有一个可连接各个传感器的主信号链更方便的了。新型 ADPD4000 生物医学前端产品系列填补了这一市场空白。

下图显示了 ADPD4000 系列的高级框图。该前端围绕两个相同的接收通道设计而成，可以同步进行采样。每个通道均以差分方式构建，因此可以在单端或差分测量模式下测量任何传感器输入。输入级是一个具有可编程增益的跨阻放大器，其后接一个带通滤波器和一个积分器，能够进行每个采样 7.5 pC 的积分。其 ADC 是一款 14 位逐次逼近寄存器(SAR)转换器，最大采样速率为 1 MSPS。每个信号链的前面是一个 8 通道多路复用器，使模拟前端可以灵活地将各种传感器信号路由至 AFE。

ADPD4000 系列的高级框图

使用 ADPD4000 可测量各种信号。该芯片直接通过连接生物电位电极来测量心脏信号。它能够测量皮肤电反应，以此跟踪压力或精神状态。它提供 8 个输入用于测量光电流，8 个电流源用于驱动 LED。此外，该芯片还支持辅助输入，可测量电容和温度。通过采用 ADPD4000，设备厂商仅需一颗芯片，就可以创建一个非常节能、小尺寸、经济高效的可穿戴系统。