在當(dāng)今數(shù)字化醫(yī)療與健康監(jiān)測(cè)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，生物電測(cè)量技術(shù)作為洞察人體生理狀態(tài)的關(guān)鍵手段，正發(fā)揮著日益重要的作用。從常規(guī)的心電圖(ECG)檢測(cè)心臟電活動(dòng)，到腦電圖(EEG)捕捉大腦神經(jīng)元的信號(hào)，生物電信號(hào)蘊(yùn)含著豐富的人體生理信息，為疾病診斷、健康管理以及科學(xué)研究提供了至關(guān)重要的數(shù)據(jù)支持。而在這一技術(shù)體系中，低功耗雙通道模擬前端芯片扮演著極為關(guān)鍵的角色，堪稱生物電測(cè)量系統(tǒng)的 “前哨站”。

生物電測(cè)量的需求與挑戰(zhàn)

生物電信號(hào)通常極其微弱，幅值往往在微伏(μV)至毫伏(mV)量級(jí)，同時(shí)極易受到外界環(huán)境及人體自身生理活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲干擾。例如，在可穿戴設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、周圍電子設(shè)備的電磁輻射等，都會(huì)對(duì)心電信號(hào)造成污染，使得準(zhǔn)確提取和分析生物電信號(hào)成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。此外，對(duì)于可穿戴和便攜式醫(yī)療設(shè)備而言，低功耗設(shè)計(jì)是確保設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航、提升用戶體驗(yàn)的核心需求。傳統(tǒng)的生物電測(cè)量系統(tǒng)由于功耗較高，難以滿足人們對(duì)設(shè)備小型化、長(zhǎng)時(shí)間不間斷監(jiān)測(cè)的期望，因此，開(kāi)發(fā)高性能、低功耗的生物電測(cè)量前端芯片迫在眉睫。

低功耗雙通道模擬前端芯片探秘

低功耗雙通道模擬前端芯片集成了一系列精密的模擬電路模塊，旨在高效地采集、放大并初步處理生物電信號(hào)。以常見(jiàn)的用于心電測(cè)量的此類芯片為例，它一般包含兩個(gè)低噪聲可編程增益放大器(PGA)。PGA 的作用至關(guān)重要，通過(guò)可編程設(shè)置增益倍數(shù)(如 1、2、3、4、6、8 或 12 等)，能夠靈活適配不同幅值的生物電信號(hào)，將其放大到適合后續(xù)處理的電平范圍。比如在測(cè)量微弱的心電信號(hào)時(shí)，可將增益設(shè)置為較高值，確保信號(hào)能夠被有效捕捉。

與之協(xié)同工作的是兩個(gè)高分辨率的 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC 負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò) PGA 放大后的模擬生物電信號(hào)精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)由微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。高分辨率的 ADC 能夠捕捉到生物電信號(hào)中極為細(xì)微的變化，為精準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)診斷提供了可能。例如，在檢測(cè)心律失常等心臟疾病時(shí)，這些細(xì)微的信號(hào)變化往往蘊(yùn)含著關(guān)鍵的診斷信息。

芯片還內(nèi)置了諸多實(shí)用功能模塊。右腿驅(qū)動(dòng)放大器(RLD)便是其中之一，它通過(guò)反饋機(jī)制有效抑制共模干擾，顯著提升了信號(hào)的質(zhì)量。以心電圖測(cè)量為例，RLD 能夠消除因人體與大地之間的電容耦合等因素引入的共模噪聲，使心電信號(hào)更加清晰可辨。持續(xù)斷線檢測(cè)功能則時(shí)刻監(jiān)測(cè)電極與人體的連接狀態(tài)，一旦出現(xiàn)電極脫落或接觸不良的情況，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。此外，一些芯片還集成了呼吸阻抗測(cè)量功能(如 ADS1292R)，通過(guò)檢測(cè)呼吸過(guò)程中人體阻抗的變化，獲取呼吸頻率等重要生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體多生理指標(biāo)的同步監(jiān)測(cè)。

在電源管理方面，低功耗雙通道模擬前端芯片具備出色的節(jié)能特性。它支持多種工作模式，如斷電、待機(jī)模式等。在設(shè)備處于非工作狀態(tài)或暫時(shí)不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，芯片可切換至待機(jī)模式，此時(shí)功耗極低，極大地延長(zhǎng)了設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。而在需要進(jìn)行生物電測(cè)量時(shí)，芯片又能迅速切換至正常工作模式，確保信號(hào)采集和處理的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。例如，在可穿戴心電監(jiān)測(cè)設(shè)備中，用戶在睡眠期間，設(shè)備可自動(dòng)切換至待機(jī)模式，當(dāng)用戶醒來(lái)活動(dòng)時(shí)，設(shè)備快速響應(yīng)進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的全程監(jiān)測(cè)。

應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛拓展

這類芯片在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在醫(yī)療領(lǐng)域，它是動(dòng)態(tài)心電圖(Holter)監(jiān)測(cè)儀的核心組件，能夠長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)地記錄患者的心電信號(hào)，為醫(yī)生準(zhǔn)確診斷心臟疾病提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)。對(duì)于患有心律失常、心肌缺血等疾病的患者，Holter 監(jiān)測(cè)能夠捕捉到偶發(fā)的異常心電事件，為疾病的診斷和治療方案的制定提供關(guān)鍵依據(jù)。同時(shí)，在自動(dòng)體外除顫器(AED)中，模擬前端芯片快速準(zhǔn)確地監(jiān)控患者的心臟狀態(tài)，為及時(shí)實(shí)施除顫提供可靠的信號(hào)支持，在心臟驟停急救中發(fā)揮著生死攸關(guān)的作用。

在體育運(yùn)動(dòng)與健身領(lǐng)域，低功耗雙通道模擬前端芯片助力智能運(yùn)動(dòng)裝備實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶心電、心率等生理指標(biāo)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。運(yùn)動(dòng)員在高強(qiáng)度訓(xùn)練或比賽過(guò)程中，通過(guò)佩戴集成此類芯片的設(shè)備，教練能夠?qū)崟r(shí)掌握運(yùn)動(dòng)員的身體狀況，根據(jù)心電數(shù)據(jù)合理調(diào)整訓(xùn)練強(qiáng)度和方案，避免運(yùn)動(dòng)員因過(guò)度訓(xùn)練導(dǎo)致身體損傷，同時(shí)也有助于提升訓(xùn)練效果。對(duì)于普通健身愛(ài)好者而言，這些設(shè)備能夠幫助他們了解自己在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的身體反應(yīng)，科學(xué)地制定健身計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)健康、高效的鍛煉目標(biāo)。

可穿戴設(shè)備和個(gè)人健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的興起，更是離不開(kāi)低功耗雙通道模擬前端芯片的支持。如今，人們對(duì)自身健康的關(guān)注度日益提高，希望能夠隨時(shí)隨地了解自己的身體狀況。集成了此類芯片的智能手環(huán)、智能手表等可穿戴設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)采集用戶的心電、心率、呼吸等生理數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī) APP 或云端平臺(tái)。用戶可以通過(guò)手機(jī)直觀地查看自己的健康數(shù)據(jù)趨勢(shì)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，能夠及時(shí)采取相應(yīng)的措施。這種便捷、實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)方式，為人們的日常健康管理提供了有力的工具，有助于疾病的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防。

技術(shù)突破與未來(lái)展望

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步以及對(duì)生物電測(cè)量技術(shù)研究的深入，低功耗雙通道模擬前端芯片在性能上不斷實(shí)現(xiàn)新的突破。一方面，芯片的功耗進(jìn)一步降低，同時(shí)噪聲性能得到優(yōu)化，能夠在更低的功耗下實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的生物電信號(hào)采集和處理。例如，一些新型芯片的每通道功耗已低于 300μA，輸入?yún)⒖荚肼暱傻椭翑?shù)微伏峰峰值(μVPP)，大大提高了信號(hào)的信噪比，使得生物電信號(hào)的檢測(cè)更加精準(zhǔn)可靠。

另一方面，芯片的集成度不斷提高，除了傳統(tǒng)的信號(hào)采集和處理功能外，更多的輔助功能被集成到芯片內(nèi)部。如一些芯片內(nèi)置了溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量環(huán)境的溫度變化，并對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性;還有些芯片集成了復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法，能夠在芯片內(nèi)部直接對(duì)采集到的生物電信號(hào)進(jìn)行初步的分析和特征提取，減輕了后續(xù)微處理器或 DSP 的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

展望未來(lái)，低功耗雙通道模擬前端芯片有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，將這些先進(jìn)技術(shù)與生物電測(cè)量相結(jié)合，有望開(kāi)發(fā)出具有智能診斷功能的醫(yī)療設(shè)備和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。例如，通過(guò)對(duì)大量生物電數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)和分析，設(shè)備能夠自動(dòng)識(shí)別各種疾病的特征性生物電信號(hào)模式，實(shí)現(xiàn)疾病的早期智能預(yù)警和精準(zhǔn)診斷。同時(shí)，隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，其在神經(jīng)科學(xué)研究、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域也將發(fā)揮更大的作用，為人類健康事業(yè)的發(fā)展注入新的活力。