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

根據(jù)美國(guó)疾病控制中心(CDC)的數(shù)據(jù)，美國(guó)每年約有61萬(wàn)人死于心臟病——即每4例死亡中就有1例與心臟病相關(guān)1。心臟的健康與否是一個(gè)人整體健康水平最重要的指標(biāo)之一。IoMT推動(dòng)了新一代可穿戴、多參數(shù)、連續(xù)性心臟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)生，以提升各類(lèi)醫(yī)院、診所、護(hù)理機(jī)構(gòu)及家庭環(huán)境中的醫(yī)療保健管理水平。

IoMT作為醫(yī)療設(shè)備及服務(wù)的互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)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)。現(xiàn)在的IoMT包括檢測(cè)溫度、濕度和振動(dòng)的傳感器，以及能夠識(shí)別一定數(shù)量心臟狀態(tài)的算法。

下一代設(shè)計(jì)正在嘗試擴(kuò)充監(jiān)測(cè)參數(shù)，采用更智能、更復(fù)雜的算法以識(shí)別更加廣泛的非正常心律狀態(tài)。例如，類(lèi)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(zhǎng)時(shí)間貼在皮膚上，來(lái)監(jiān)測(cè)和管理心臟的健康狀況。

互聯(lián)心臟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括三個(gè)要素：可穿戴無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)和云分析平臺(tái)。

通過(guò)心電圖(ECG)傳感器節(jié)點(diǎn)(例如ECG貼片或心率監(jiān)測(cè)導(dǎo)電服裝)和數(shù)據(jù)管理服務(wù)在數(shù)據(jù)中心收集可穿戴設(shè)備傳來(lái)的心臟數(shù)據(jù)。通常，傳感器節(jié)點(diǎn)為一導(dǎo)聯(lián)或三導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)測(cè)設(shè)備，最多包含三個(gè)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(tái)借助復(fù)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(shí)別潛在的心臟功能異常。監(jiān)測(cè)結(jié)果可添加至患者病歷中，并提供給指定的醫(yī)療機(jī)構(gòu)和相關(guān)的心臟病學(xué)專(zhuān)家。

模擬前端

ECG信號(hào)調(diào)節(jié)路徑(圖1)首先包括模擬級(jí)，用于檢測(cè)、放大和清理模擬波形。ECG信號(hào)的幅度從幾百微伏到大約5毫伏不等。該信號(hào)包括來(lái)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(shè)備的射頻噪聲。在可穿戴設(shè)備中，由于運(yùn)動(dòng)偽影，ECG信號(hào)基線中將出現(xiàn)不良波動(dòng)。

因此，高度復(fù)雜的模擬前端(AFE)通常可用于ECG信號(hào)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(diǎn)頻率以消除基線波動(dòng)的高通濾波器、具備典型150Hz拐點(diǎn)頻率以濾除帶外信號(hào)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(hào)的低噪聲可編程儀表放大器，以及將信號(hào)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(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)及相關(guān)信號(hào)路徑。

AFE的一個(gè)關(guān)鍵要求是在整個(gè)信號(hào)路徑中保持患者的ECG波形特征。這是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。

高性能微控制器

路徑中的下一個(gè)環(huán)節(jié)為微控制器(MCU)，用于對(duì)數(shù)字化ECG數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和/或整理。根據(jù)可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備的類(lèi)型，可穿戴傳感器中采集的原始ECG數(shù)據(jù)將被實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析以檢測(cè)最常見(jiàn)的心律不齊，然后保存在系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器中，或被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中以便未來(lái)設(shè)備使用壽命結(jié)束后進(jìn)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(shè)備中采用，它需要擁有DSP引擎和更高代碼/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)存的高性能MCU，以便在運(yùn)行中準(zhǔn)確地檢測(cè)出幾種常見(jiàn)的心律不齊癥狀，此外還需要存儲(chǔ)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(lái)了電源性能及芯片尺寸方面的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要利用先進(jìn)的小尺寸低功耗工藝制程節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)電源管理等功能在系統(tǒng)級(jí)別實(shí)現(xiàn)有效的電源管理方案。

系統(tǒng)MCU須在每個(gè)工作頻率上實(shí)現(xiàn)較低的功耗(低于50μA/MHz)，并具有可擴(kuò)展頻率的多種工作模式，從而允許在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行靈活的電源管理。常見(jiàn)的方法是使用基于系統(tǒng)的某些自定義專(zhuān)有使用模型配置文件來(lái)循環(huán)“打開(kāi)”和“關(guān)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(kāi)關(guān)過(guò)程中的功耗，MCU須在待機(jī)模式下提供亞微安級(jí)別的電流消耗，并實(shí)現(xiàn)快速?gòu)拇龣C(jī)模式到正常工作模式的切換(不超過(guò)幾微秒)，以很大程度減少開(kāi)關(guān)過(guò)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(yùn)行，并且除模擬信號(hào)路徑外，還具有專(zhuān)用的低功耗數(shù)字信號(hào)處理電路(例如，R-to-R峰值周期測(cè)量)，來(lái)進(jìn)一步降低MCU的信號(hào)處理量。通常，增強(qiáng)型診斷、生命體征參數(shù)監(jiān)控和其它信號(hào)測(cè)量(例如Bio-Z)等功能會(huì)增加AFE的復(fù)雜性。

超低功耗連接

ECG信號(hào)調(diào)節(jié)路徑的最后環(huán)節(jié)為以某種類(lèi)型的低功耗無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)(例如智能手機(jī)或自定義傳感器集線設(shè)備)的通信。傳輸?shù)皆破脚_(tái)和醫(yī)療中心的數(shù)據(jù)包括原始ECG數(shù)據(jù)、可能失常或正常的心律信息以及在操作過(guò)程中測(cè)量的其它系統(tǒng)參數(shù)。目前，低功耗藍(lán)牙是最常用的無(wú)線接口之一。NB-IoT和CAT-M類(lèi)型的連接性正在評(píng)估中，以備將來(lái)使用。

外形更小、性?xún)r(jià)比更高、使用壽命更長(zhǎng)的一次性ECG貼片成為趨勢(shì)，這意味著需要在超小型系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)或系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)器件中實(shí)現(xiàn)對(duì)超低功耗信號(hào)路徑的更高集成。電子設(shè)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(hào)(模擬和數(shù)字)電路且經(jīng)濟(jì)高效的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)，以及可行的、更經(jīng)濟(jì)高效的小尺寸封裝技術(shù)。

超低功耗是此類(lèi)新型ECG貼片的關(guān)鍵要求之一，因?yàn)樗梢燥@著延長(zhǎng)連續(xù)心臟信號(hào)監(jiān)測(cè)/分析的時(shí)間，達(dá)到遠(yuǎn)超于目前7-15天的時(shí)間長(zhǎng)度。較低的功耗還將允許開(kāi)發(fā)人員引入額外的生命體征監(jiān)測(cè)功能，從而獲得更大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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(wú)電池”傳感器節(jié)點(diǎn)的能量采集方式——基于專(zhuān)門(mén)的全新半導(dǎo)體工藝技術(shù)，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(chǎng)應(yīng)用，基于能量采集的心臟監(jiān)測(cè)貼片所面臨的挑戰(zhàn)在于實(shí)際應(yīng)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(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)，或周?chē)h(huán)境中的專(zhuān)用RF能量之類(lèi)的資源來(lái)解決這一關(guān)鍵問(wèn)題。

最后，心臟監(jiān)測(cè)SoC的設(shè)計(jì)需要在小面積硅片上成功集成混合模式電路，而不會(huì)干擾布局中分配的邊界。這將需要特殊的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以防止高頻開(kāi)關(guān)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(yīng)式醫(yī)療保健模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮r(jià)格與成本更低的預(yù)防式系統(tǒng)模式。半導(dǎo)體，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，和材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及與AI相結(jié)合，將會(huì)進(jìn)一步改變?nèi)藗兊纳睿楦纳粕鐣?huì)做出貢獻(xiàn)。