以IoMT革新心脏护理：持续监测带来更好预后

据疾控中心(CDC)数据，美国每年约61万人死于心脏病——每4人死亡中就有1例。心脏健康是个人整体健康最重要参数之一。医疗物联网(IoMT)正赋能新一代可穿戴、多参数、持续心脏监测系统，改善医院、诊所、患者护理和家庭环境的医疗管理。

IoMT是医疗设备和服务的连接基础设施，收集分析数据并发送给医疗提供者。目前这些设备包含测量温度、湿度、振动的传感器，以及识别有限心脏状况的算法。

下一代设计着眼增加参数，利用更智能、复杂的算法识别更广泛心律失常。例如，类似隐形创可贴的一次性"贴片"，含少量微型IC，可舒适贴敷皮肤长时间监测管理心脏健康。

连接心脏监测系统包含三大要素：可穿戴无线传感器节点、数据管理服务、云端分析平台。

心电图(ECG)传感器节点（如ECG贴片或心率监测导电服装）和数据管理服务从可穿戴设备采集心脏数据至数据中心。传感器节点通常为单导或三导ECG监测设备，最多三个电极（湿或干）连接贴片电子元件。

云端平台用复杂算法和人工智能(AI)引擎收集分析心脏数据，识别潜在异常心脏功能。结果可加入患者病历，供指定医疗机构和负责心脏科医生获取。

模拟前端

ECG信号调理路径(图1)包含模拟级，用于感知、放大、净化模拟波形。ECG信号幅度从几百微伏至约5毫伏。信号含来自交流电耦合的低频(50/60Hz)噪声、肌肉高频噪声、邻近设备射频噪声。可穿戴设备中，运动伪影会导致ECG信号基线不良波动。

因此常用高复杂度模拟前端(AFE)净化和数字化ECG信号。AFE含EMI滤波器除射频噪声；典型0.5Hz转角高通滤波器除基线漂移；典型150Hz转角低通滤波器滤除带外信号；陷波滤波器滤50/60Hz噪声；低噪可编程仪表放大器放大信号，模数转换器数字化信号供采样数据后处理。

图1：典型IoMT连接心脏监测传感器节点及相关信号路径。

AFE关键要求是跨信号路径在所有工作条件下，将患者ECG波形特征保持到底，通过最小化噪声和不准确（如增益误差、偏移误差等）影响实现。

高性能MCU

路径下一级是微控制器(MCU)，用于数字化ECG数据的后处理和/或管家任务。视可穿戴监测设备类型，传感器中采样的原始ECG数据要么实时分析检测常见心律失常并存入系统非易失性存储，要么存储待设备寿命结束时离线分析。

较新一代一次性可穿戴ECG采用前法，要求具备DSP引擎、更大代码/数据存储的高性能MCU，以在实时准确检测多种常见心律失常的同时存储更多原始数据供后处理。额外要求含更小占板电子、精密AFE和更低功耗。

额外存储和更高MCU性能在功耗性能和芯片尺寸上引入挑战。需利用小单元几何的先进低功耗工艺节点、含电源管理特性的系统级高效电源管理方案来应对。

系统MCU须具备更优功耗频比（优于50µA/MHz），含多种可缩放频率的工作模式，允许系统级灵活电源管理。常用方法基于系统自定义专有使用模型，循环MCU"开/关"。

因无线电和MCU主导系统功耗，其使用须极小化。为限制功耗循环中的消耗，MCU待机模式须提供亚微安电流，并具极快转换时间（不超几微秒）从待机到正常工作模式，最小化开关功耗损失。

新一代AFE需持续在更低功耗（典型<100µW）运行，除模拟信号路径外含专用低功耗数字信号处理电路（如R-R峰周期测量）。这将降低MCU信号处理量。总体而言，增强诊断、生命体征参数监测、额外信号测量（如Bio-Z）增加AFE复杂度。

超低功耗连接

ECG传感器节点信号路径最后一级是某种低功耗无线连接，实现与智能手机或定制传感器网关等网关通信。向云平台和医疗中心传输数据可含原始ECG数据、可能的心律失常或正常节律信息、运行期间测得的其他系统参数。目前低功耗蓝牙是最常用无线接口。NB-IoT和CAT-M型连接在评估未来使用。

向更小外形、更高性价比、显著更持久一次性ECG贴片趋势，意味着极高集成度，在微小SoC或SiP器件中实现超低功耗信号路径。电子小型化面临挑战：需适合低功耗精密混合信号（模拟和数字）电路的性价比半导体工艺节点，以及更高性价比小尺寸封装技术。

超低功耗是此新型ECG贴片关键需求，可显著将持续心脏信号监测/分析寿命延伸至当前7-15天之外。更低功耗也让开发者能加入额外生命体征监测，获得竞争优势。

目前贴片用单纽扣电池，典型容量几百mAh。但正努力结合能量收集，使用更小、更低容量、更高性价比电池，基于硅覆薄埋氧(SOTB)和亚阈值工艺等专用新半导体工艺技术实现"无电池"传感器节点。

将基于能量收集的心脏监测贴片从实验室推向市场的挑战，是使用点可获取连续一致的能量源。业界探索体热、运动振动、环境专用射频能量等源以应对这一关键挑战。

最后，心脏监测SoC设计需在极小硅片上成功集成混合模式电路，避免跨布局边界干扰。这需要特殊设计专长，防止高频开关数字和射频电路产生的噪声传播至相邻精密模拟电路。

IoMT正将传统被动医疗转向更负担得起的预防体系，潜在成本更低。结合半导体、连接、材料科学技术进步与AI力量，为社会福祉提供改变生活的应用潜力。

>> 本文最初发表于姊妹站Electronic Products："医疗物联网赋能连接心脏监测系统。"

Ash Patel和Bahram Mirshab隶属于Renesas Electronics America Inc.医疗细分市场部门。