将需要高度复杂的模拟前端、高性能MCU和低功耗无线连接，以及复杂的算法和AI引擎。根据美国疾病控制中心(CDC)的数据，美国每年约有610,000人死于心脏病，即四分之一的死亡与心脏病有关1。心脏健康是衡量一个人整体健康状况的最重要指标之一。IoMT正在启用新一代可穿戴、多参数、连续心脏监测系统，以改善各种医院、诊所、护理机构和家庭环境中的医疗保健管理。IoMT充当医疗设备和服务的互连基础设施，用于收集和分析发送给医疗保健提供者的数据。今天的IoMT包括检测温度、湿度和振动的传感器，以及可以识别一定数量的心脏状态的算法。下一代设计正试图扩展监测参数，采用更智能、更复杂的算法来识别更广泛的异常心律状态。例如，一种类似于隐形绷带的一次性“贴片”，通过嵌入小型IC并长时间舒适地贴在皮肤上来监测和管理心脏健康。互联心脏监护系统主要包括三个要素：可穿戴无线传感器节点、数据管理服务和云分析平台。来自可穿戴设备的心脏数据通过心电图(ECG)传感器节点（例如ECG贴片或心率监测导电服）和数据管理服务收集在数据中心。通常，传感器节点是单导联或三导联ECG监测设备，最多包含三个连接到贴片上的电子设备的电极（湿式或干式）。基于云的云分析平台借助复杂的算法和人工智能（AI）引擎收集和分析心脏数据，以识别心脏功能的潜在异常。监测结果可以添加到患者的病历中，并提供给指定的医疗机构和相关的心脏病专家。模拟前端ECG信号调节路径（图1）首先包括一个模拟级，用于感测、放大和清理模拟波形。ECG信号的幅度从几百微伏到大约5毫伏不等。该信号包括来自交流线路的低频(50/60Hz)噪声、来自人体肌肉的高频噪声以及来自设备附近各种设备的射频噪声。在可穿戴设备中，由于运动伪影，ECG信号的基线会出现不良波动。因此，高度复杂的模拟前端(AFE)通常用于ECG信号清洗和数字化。AFE包括一个用于消除RF噪声的EMI滤波器、一个具有典型0.5Hz转角频率以消除基线波动的高通滤波器、一个具有典型150Hz转角频率以滤除带外信号的低通滤波器，以及一个用于滤除50/60Hz的低通滤波器用于噪声的陷波滤波器、用于放大信号的低噪声可编程仪表放大器以及用于将信号数字化的模数转换器（用于采样数据的后处理）.图1：典型的心脏监测传感器节点和由IoMT连接的相关信号路径。AFE的一项关键要求是在整个信号路径中保持患者的ECG波形特征。这是通过最小化由噪声和误差（例如，增益误差、偏移误差等）引起的影响来实现的。高性能微控制器路径中的下一个环节是微控制器(MCU)，用于后处理和/或清理数字化ECG数据。根据可穿戴监测设备的类型，可穿戴传感器收集的原始心电图数据将被实时动态分析以检测最常见的心律失常，然后保存在系统的非易失性内存中，或存储在内存中以供离线分析在未来设备寿命结束时。前一种方法通常在新一代一次性可穿戴心电图设备中采用，这需要具有DSP引擎和更高代码/数据存储内存的高性能MCU，以准确检测几种常见的动态心律失常。气征，除了存储大量的原始数据用于后期处理。其他要求包括更小尺寸的电子设备、复杂的AFE和更低的功耗。MCU的额外内存和更高性能在功率性能和裸片尺寸方面提出了挑战。为应对这些挑战，需要利用小尺寸、低功耗的先进工艺节点，通过电源管理等功能在系统级实施有效的电源管理方案。系统MCU必须在每个工作频率下实现低功耗（小于50μA/MHz），并具有可扩展频率的多种工作模式，从而允许在系统级进行灵活的电源管理。一种常见的方法是使用一些基于系统的自定义专有使用模型配置文件来循环“打开”和“关闭”MCU。由于RF和MCU主导了整个系统的功耗，因此它们的使用量需要尽可能低。为了限制电源循环期间的功耗，MCU必须在待机模式下提供亚微安电流消耗，并实现从待机模式到正常工作模式的快速（少于几微秒）转换，以最大限度地减少开关期间的功率损耗。新的AFE需要以低功率（通常小于100μW）连续运行，并且除了模拟信号路径（例如，R-to-R峰值周期测量）之外还具有专用的低功率数字信号处理电路，以进一步减少信号处理MCU的容量。通常，增强诊断、生命体征参数监测和其他信号测量（例如Bio-Z）等功能会增加AFE的复杂性。超低功耗连接ECG信号调节路径中的最后一个链路是某种类型的低功耗无线连接，用于与网关通信，例如智能手机或自定义传感器集线器设备。传输到云平台和医疗中心的数据包括原始心电图数据、可能的异常或正常心律信息以及在运行期间测量的其他系统参数。目前，低功耗蓝牙是最常用的无线接口之一。正在评估NB-IoT和CAT-M类型的连接以供将来使用。更小、更具成本效益和更持久的一次性ECG贴片的趋势意味着超小型片上系统(SoC)或系统级封装(SIP)设备中的超低功耗信号处理。路径的更高集成度。电子设备小型化的一些挑战包括用于低功率精密混合信号（模拟和数字）电路的具有成本效益的半导体工艺节点，以及可行的、更具成本效益的小型封装技术。超低功耗是这种新型心电贴片的关键要求之一，因为它可以显着延长连续心脏信号监测/分析的时间，远远超过目前的7-15天。更低的功耗还将允许开发人员引入额外的生命体征监测功能，从而为他们带来竞争优势。目前贴片多采用单颗纽扣电池，典型容量为数百毫安时。但是，人们正在努力尝试使用更小、容量更低、更具成本效益的电池，并结合“无电池”传感器节点的能量收集——基于专门的新半导体工艺技术，例如硅上薄埋氧化物(SOTB)和子-阈值过程等。从研发到现场应用，基于能量采集的心脏监测贴片面临的挑战在于在实际应用中需要采集连续的能量源。该行业正在探索利用身体热量、运动引起的振动或来自周围环境的专用射频能量等来源来解决这一关键问题。最后，心脏监测SoC的设计需要在不干扰布局中分配的边界的情况下，在小面积硅上成功集成混合模式电路。这将需要特殊的设计专业知识，以防止来自高频开关数字电路和射频电路的噪声影响相邻的精密模拟电路。IoMT正在将传统的反应性医疗保健模式转变为价格和成本更低的预防性系统模式。半导体、互联网和材料科学技术的进步，结合人工智能，将进一步改变人们的生活，为改善社会做出贡献。
