利用模擬前端和高性能微控制器實現(xiàn)IoMT互聯(lián)心臟監(jiān)測系統(tǒng)

用于IoMT（醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)）的互聯(lián)心臟監(jiān)測系統(tǒng)將需要高度復雜的模擬前端、高性能MCU和低功耗的無線連接，以及復雜的算法與AI引擎。

根據(jù)美國疾病控制中心（CDC）的數(shù)據(jù)，美國每年約有61萬人死于心臟病——即每4例死亡中就有1例與心臟病相關1。心臟的健康與否是一個人整體健康水平最重要的指標之一。IoMT推動了新一代可穿戴、多參數(shù)、連續(xù)性心臟監(jiān)測系統(tǒng)的產(chǎn)生，以提升各類醫(yī)院、診所、護理機構及家庭環(huán)境中的醫(yī)療保健管理水平。

IoMT作為醫(yī)療設備及服務的互聯(lián)基礎設施，用于收集和分析發(fā)送給醫(yī)療保健提供者的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的IoMT包括檢測溫度、濕度和振動的傳感器，以及能夠識別一定數(shù)量心臟狀態(tài)的算法。

下一代設計正在嘗試擴充監(jiān)測參數(shù)，采用更智能、更復雜的算法以識別更加廣泛的非正常心律狀態(tài)。例如，類似于隱形繃帶的一次性“貼片”，其利用嵌入小尺寸IC并可以舒適地長時間貼在皮膚上，來監(jiān)測和管理心臟的健康狀況。

互聯(lián)心臟監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三個要素：可穿戴無線傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)管理服務和云分析平臺。

通過心電圖（ECG）傳感器節(jié)點（例如ECG貼片或心率監(jiān)測導電服裝）和數(shù)據(jù)管理服務在數(shù)據(jù)中心收集可穿戴設備傳來的心臟數(shù)據(jù)。通常，傳感器節(jié)點為一導聯(lián)或三導聯(lián)ECG監(jiān)測設備，最多包含三個電極（濕式或干式）連接至貼片上的電子器件。

基于云的云分析平臺借助復雜的算法和人工智能（AI）引擎收集并分析心臟數(shù)據(jù)，以識別潛在的心臟功能異常。監(jiān)測結(jié)果可添加至患者病歷中，并提供給指定的醫(yī)療機構和相關的心臟病學專家。

模擬前端

ECG信號調(diào)節(jié)路徑（圖1）首先包括模擬級，用于檢測、放大和清理模擬波形。ECG信號的幅度從幾百微伏到大約5毫伏不等。該信號包括來自交流線路的低頻（50/60赫茲）噪聲、人體肌肉的高頻噪聲和裝置附近不同設備的射頻噪聲。在可穿戴設備中，由于運動偽影，ECG信號基線中將出現(xiàn)不良波動。

因此，高度復雜的模擬前端（AFE）通?？捎糜贓CG信號清理和數(shù)字化。AFE包括可消除射頻噪聲的EMI濾波器、具有典型0．5Hz拐點頻率以消除基線波動的高通濾波器、具備典型150Hz拐點頻率以濾除帶外信號的低通濾波器、用于濾除50/60Hz噪聲的陷波濾波器、用于放大信號的低噪聲可編程儀表放大器，以及將信號數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（用于采樣數(shù)據(jù)的后處理）。

圖1：典型的由IoMT連接的心臟監(jiān)測傳感器節(jié)點及相關信號路徑。

AFE的一個關鍵要求是在整個信號路徑中保持患者的ECG波形特征。這是通過最小化由噪聲和誤差（例如增益誤差、偏移誤差等）造成的影響來實現(xiàn)的。

高性能微控制器

路徑中的下一個環(huán)節(jié)為微控制器（MCU），用于對數(shù)字化ECG數(shù)據(jù)進行后處理和/或整理。根據(jù)可穿戴監(jiān)測設備的類型，可穿戴傳感器中采集的原始ECG數(shù)據(jù)將被實時動態(tài)分析以檢測最常見的心律不齊，然后保存在系統(tǒng)的非易失性存儲器中，或被存儲在存儲器中以便未來設備使用壽命結(jié)束后進行離線分析。

前一種方法通常在新一代一次性可穿戴式ECG設備中采用，它需要擁有DSP引擎和更高代碼/數(shù)據(jù)存儲內(nèi)存的高性能MCU，以便在運行中準確地檢測出幾種常見的心律不齊癥狀，此外還需要存儲大量原始數(shù)據(jù)以供后期處理。其它要求包括更小占板面積的電子器件、精密的AFE和更低的功耗。

MCU額外的內(nèi)存和更高的性能帶來了電源性能及芯片尺寸方面的挑戰(zhàn)。為應對這些挑戰(zhàn)，需要利用先進的小尺寸低功耗工藝制程節(jié)點，并通過電源管理等功能在系統(tǒng)級別實現(xiàn)有效的電源管理方案。

系統(tǒng)MCU須在每個工作頻率上實現(xiàn)較低的功耗（低于50μA/MHz），并具有可擴展頻率的多種工作模式，從而允許在系統(tǒng)級進行靈活的電源管理。常見的方法是使用基于系統(tǒng)的某些自定義專有使用模型配置文件來循環(huán)“打開”和“關閉”MCU。

由于射頻和MCU在總系統(tǒng)功耗中占主要比重，因此其使用率需要盡可能低。為限制電源循環(huán)開關過程中的功耗，MCU須在待機模式下提供亞微安級別的電流消耗，并實現(xiàn)快速從待機模式到正常工作模式的切換（不超過幾微秒），以最大程度減少開關過程中的功率損耗。

新的AFE需要以較低功耗（通常低于100μW）連續(xù)運行，并且除模擬信號路徑外，還具有專用的低功耗數(shù)字信號處理電路（例如，R-to-R峰值周期測量），來進一步降低MCU的信號處理量。通常，增強型診斷、生命體征參數(shù)監(jiān)控和其它信號測量（例如Bio-Z）等功能會增加AFE的復雜性。

超低功耗連接

ECG信號調(diào)節(jié)路徑的最后環(huán)節(jié)為以某種類型的低功耗無線連接實現(xiàn)與網(wǎng)關（例如智能手機或自定義傳感器集線設備）的通信。傳輸?shù)皆破脚_和醫(yī)療中心的數(shù)據(jù)包括原始ECG數(shù)據(jù)、可能失?；蛘５男穆?a target="_blank">信息以及在操作過程中測量的其它系統(tǒng)參數(shù)。目前，低功耗藍牙是最常用的無線接口之一。NB-IoT和CAT-M類型的連接性正在評估中，以備將來使用。

外形更小、性價比更高、使用壽命更長的一次性ECG貼片成為趨勢，這意味著需要在超小型系統(tǒng)級芯片（SoC）或系統(tǒng)級封裝（SIP）器件中實現(xiàn)對超低功耗信號路徑的更高集成。電子設備小型化面臨的一些挑戰(zhàn)包括適用于低功率精密混合信號（模擬和數(shù)字）電路且經(jīng)濟高效的半導體工藝節(jié)點，以及可行的、更經(jīng)濟高效的小尺寸封裝技術。

超低功耗是此類新型ECG貼片的關鍵要求之一，因為它可以顯著延長連續(xù)心臟信號監(jiān)測/分析的時間，達到遠超于目前7-15天的時間長度。較低的功耗還將允許開發(fā)人員引入額外的生命體征監(jiān)測功能，從而獲得更大競爭優(yōu)勢。

目前，貼片多使用典型容量為幾百mAh的單枚紐扣電池。但人們正在努力嘗試體積更小、容量更低、更具成本效益的電池，并結(jié)合“無電池”傳感器節(jié)點的能量采集方式——基于專門的全新半導體工藝技術，例如薄氧化埋層覆硅（SOTB）和亞閾值工藝等。

從研發(fā)到現(xiàn)場應用，基于能量采集的心臟監(jiān)測貼片所面臨的挑戰(zhàn)在于實際應用中需要采集連續(xù)不斷的能量源。業(yè)界正在探索利用諸如身體的熱量、運動引起的振動，或周圍環(huán)境中的專用RF能量之類的資源來解決這一關鍵問題。

最后，心臟監(jiān)測SoC的設計需要在小面積硅片上成功集成混合模式電路，而不會干擾布局中分配的邊界。這將需要特殊的設計專業(yè)知識，以防止高頻開關數(shù)字電路和RF電路產(chǎn)生的噪聲影響相鄰的精密模擬電路。

IoMT正在使傳統(tǒng)的響應式醫(yī)療保健模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮r格與成本更低的預防式系統(tǒng)模式。半導體，互聯(lián)網(wǎng)絡，和材料科學技術的進步，以及與AI相結(jié)合，將會進一步改變?nèi)藗兊纳睿楦纳粕鐣龀鲐暙I。

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