医学专业人员早就了解生理生命体征作为人体健康指标的重要性，但新冠的肺炎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生命体征监测的人可能已经在临床环境中接受急性疾病治疗。未来的医疗模式将不再使用生命体征作为疾病治疗效果和患者康复的指标，而是采用连续和远程生命体征监测作为识别疾病发病的潜在指标的工具，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，临床级传感器的集成度不断提高，最终将使一次性、可穿戴的生命体征健康贴片得以发展，这种贴片可以定期更换(如隐形眼镜)。

虽然许多健康和健身可穿戴设备包括生命体征测量功能，但其数据的完整性可能会受到几个原因的质疑，包括所使用传感器的质量(大多数不是临床级别)、安装位置以及佩戴时身体接触的质量。虽然这些设备足以满足非卫生专业人员使用方便舒适的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正确评估个人健康状况并做出明智诊断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可能笨重且不舒服，便携性不同。本文综述了血氧饱和度(SpO(2))、心率(HR)、心电图(ECG)和呼吸率(RR)这四项生命体征测量的临床意义，并考虑了提供每项临床级测量的最佳传感器类型。高度集成的医疗保健传感器AFE将三个独立的生物传感器的功能结合到一个包装中。这有可能使可穿戴、一次性生命体征健康贴片的概念更加接近。

血氧饱和度

健康人的血氧饱和度通常在95%到100%之间。然而，93%或更低的SpO2水平可能表明个体正在经历呼吸窘迫，使其成为医疗专业人员定期监测的重要生命体征。光体积脉搏波(PPG)是一种光学测量技术，它使用几个LED发射器照射皮肤表面下的血管，并使用光电二极管接收器检测反射光信号，从而计算出SpO(2)。虽然它已成为许多腕戴式可穿戴设备的常见功能，但PPG光信号容易受到运动伪影和环境光线瞬态变化的干扰，这可能会导致虚假信号，这意味着这些设备无法提供临床级测量。在临床环境中，SpO(2)是通过手指佩戴的脉搏血氧仪(图2)来测量的，通常连续地连接在静止患者的手指上。虽然存在电池供电的便携式版本，但它们仅适用于间歇性测量。

HR和ECG

健康的心率通常被认为是每分钟60到100次;然而，每个节拍之间的时间间隔并不是恒定的。通常被称为心率变异性(HRV)，这意味着HR是在几个心跳周期内测量的平均值。在一个健康的人身上，心率和脉搏几乎是相同的，因为心脏肌肉的每次收缩都会将血液输送到全身。然而，一些严重的心脏疾病会导致心率和脉搏率不同。例如，在心房颤动(Afib)等心律失常的情况下，并非心脏内的每一块肌肉收缩都会将血液泵入全身——相反，血液会在心脏腔内积聚，这是一种潜在的危及生命的情况。心房纤颤很难检测，因为它有时间歇性地发生，而且只持续很短的时间间隔。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房颤引起的，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传感器是在假设心率与脉搏率相同的情况下进行光学测量的，因此不能依赖它们来检测房颤。这需要在一段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被称为心电图。动态心电图仪(图3)是最常见的用于此目的的临床级便携式设备。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，但佩戴起来有些笨重和不舒服，尤其是在睡觉的时候。

呼吸率

对于大多数健康人来说，预期的呼吸频率是每分钟12到20次。RR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信号。虽然一些可穿戴解决方案使用加速计或PPG技术推断RR，但临床级RR测量是通过使用ECG信号中包含的信息或使用生物阻抗(BioZ)传感器来执行的，该传感器使用附着在患者身体上的两个或更多电极来表征皮肤的电阻抗。虽然fda批准的ECG功能在一些高端健康和健身可穿戴设备中可用，但生物阻抗传感通常不提供，因为它需要包含单独的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传感器还支持阻抗心电图(ICG)，并用于测量皮肤电反应(GSR)，这是一种有用的压力指标。

三合一传感器解决方案

临床级生命体征AFE IC的功能框图如图4所示，该IC集成了三个独立传感器(ppg、ECG和bioz)的功能。

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可通过两个大电流8位LED驱动器进行编程。接收路径有两个低噪声、高分辨率的读出通道，每个通道都包括独立的20位adc和一个环境光抵消电路，在120 Hz时提供超过90 dB的环境抑制。PPG通道具有高达113 dB的信噪比，支持仅16 μ A的SpO(2)测量。

ECG通道是一个完整的信号链，提供收集高质量ECG数据所需的所有关键特性，如灵活增益，关键滤波，低噪声，高输入阻抗和多个引线偏置选项。其他功能，如快速恢复，交流和直流引线检测，超低功耗引线检测和右腿驱动，可在要求苛刻的应用中实现稳健运行，例如带干电极的腕戴式设备。-信号链驱动18位西格马 - 得尔塔 ADC，具有广泛的用户选择输出采样率。

BioZ接收通道具有EMI滤波和广泛的校准功能。它还具有高输入阻抗，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/吸收电流，正弦波电流，正弦波和方波电压刺激。刺激的幅度和频率范围很广。它还支持BIA、BIS、ICG和GSR应用程序。

FIFO时序数据允许所有三个传感器通道同步。这款AFE IC采用7mm × 7mm 49球晶圆级封装(WLP)，封装尺寸仅为2.6 mm × 2.8 mm，非常适合用于临床级可穿戴胸部贴片(图5)。

图6说明了如何将该AFE设计成腕戴式可穿戴设备，以提供按需的BIA和ECG，并具有连续的HR、SpO(2)和皮肤电活动(EDA)/GSR。

结论

SpO(2)、HR、ECG和RR是医疗保健专业人员用于诊断目的的重要生命体征测量。使用可穿戴设备的连续生命体征监测将是未来医疗保健模型的关键组成部分，可以在症状出现之前预测疾病的发作。许多目前可用的生命体征监测仪产生的测量结果不能被医疗保健专业人员使用，因为他们使用的传感器不是临床级别的，而其他人根本没有能力准确测量RR，因为他们没有包括BioZ传感器。本文介绍了一种集成了三种临床级传感器ppg、ECG和BioZ的集成电路，并展示了如何将其设计成可穿戴式胸戴式和腕戴式可穿戴设备，以测量SpO(2)、HR、ECG和RR，同时还提供其他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外，该IC还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。

参考电路

(1)心房颤动。国家慢性病预防和健康促进中心，2022年10月。