醫療物聯網實現互聯心臟監測

王雄

用于醫療物聯網（Internet of Medical Things，IoMT）的互聯心臟監測系統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。

根據美國疾病控制中心的數據，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。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、多參數和連續性心臟監測系統的產生，以提升各類醫院、診所、護理機構及家庭環境中的醫療保健管理水平。

IoMT作為醫療設備及服務的互聯基礎設施，用于收集和分析發送給醫療保健提供者的數據。現在的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量心臟狀態的算法。

下一代設計正在嘗試擴充監測參數，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。例如，類似于隱形繃帶的一次性“貼片”，其利用嵌入小尺寸身份證（Identity Card，IC）并可以舒適地長時間貼在皮膚上，來監測和管理心臟的健康狀況。

互聯心臟監測系統主要包括3個要素：可穿戴無線傳感器節點、數據管理服務和云分析平臺。

通過心電圖（Electrocardiogram，ECG）傳感器節點（例如ECG貼片或心率監測導電服裝）和數據管理服務在數據中心收集可穿戴設備傳來的心臟數據。通常，傳感器節點為一導聯或三導聯ECG監測設備，最多包含3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引擎收集并分析心臟數據，以識別潛在的心臟功能異常。監測結果可添加至患者病歷中，并提供給指定的醫療機構和相關的心臟病學專家。

模擬前端

ECG信號調節路徑首先包括模擬級，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信號基線中將出現不良波動。

因此，高度復雜的模擬前端（Analog Front End，AFE）通常可用于ECG信號清理和數字化。AFE包括可消除射頻噪聲的 EMI濾波器，具有典型0.5 Hz拐點頻率以消除基線波動的高通濾波器，具備典型150 Hz拐點頻率以濾除帶外信號的低通濾波器，用于濾除50/60 Hz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，以及將信號數字化的模數轉換器（用于采樣數據的后處理）。

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）造成的影響來實現的。

高性能微控制器

路徑中的下一個環節為微控制器（Micro Control Unit，MCU），用于對數字化ECG數據進行后處理及整理。根據可穿戴監測設備的類型，可穿戴傳感器中采集的原始ECG數據將被實時動態分析以檢測最常見的心律不齊，然后保存在系統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，它需要擁有數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）引擎和更高代碼/數據存儲內存的高性能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據以供后期處理。其他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額外的內存和更高的性能帶來了電源性能及芯片尺寸方面的挑戰。為應對這些挑戰，需要利用先進的小尺寸低功耗工藝制程節點，并通過電源管理等功能在系統級別實現有效的電源管理方案。

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

由于射頻和MCU在總系統功耗中占主要比重，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，并實現快速從待機模式到正常工作模式的切換（不超過幾微秒），以很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）連續運行，并且除模擬信號路徑外，還具有專用的低功耗數字信號處理電路（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、生命體征參數監控和其他信號測量（例如Bio-Z）等功能會增加AFE的復雜性。

超低功耗連接

ECG信號調節路徑的最后環節為某種類型的低功耗無線連接實現與網關（例如智能手機或自定義傳感器集線設備）的通信。傳輸到云平臺和醫療中心的數據包括原始ECG數據、可能失常或正常的心律信息以及在操作過程中測量的其他系統參數。目前，低功耗藍牙是最常用的無線接口之一。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）和M類（Category M，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級芯片（System on a Chip，SoC）或系統級封裝（System In a Package，SIP）器件中實現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包括適用于低功率精密混合信號（模擬和數字）電路且經濟高效的半導體工藝節點，以及可行的、更經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心臟信號監測/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人員引入額外的生命體征監測功能，從而獲得更大競爭優勢。

目前，貼片多使用容量為幾百毫安時的單枚紐扣電池。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，并結合無電池傳感器節點的能量采集方式———基于專門的全新半導體工藝技術，如薄氧化埋層覆硅和亞閾值工藝等。

從研發到現場應用，基于能量采集的心臟監測貼片所面臨的挑戰在于實際應用中需要采集連續不斷的能量源。業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境中專用射頻能量之類的資源來解決這一關鍵問題。

最后，心臟監測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，以防止高頻開關數字電路和射頻電路產生的噪聲影響相鄰的精密模擬電路。

IoMT正在使傳統的響應式醫療保健模式轉變為價格與成本更低的預防式系統模式。半導體、互聯網絡和材料技術的進步與AI相結合，將會進一步改變人們的生活，并為改善社會做出貢獻。