前言

可穿戴设备可以实现人体生命体征的动态测量和生理参数的连续监测，这对于慢性护理和疾病的早期诊断可能是有价值的。然而，在临床之外进行与医学相关的生命体征记录具有挑战性:运动伪影会降低信号质量和检测精度，需要高能量的信号处理。此外，长期监控需要持续、不受限制的电源，这很难从便携式电池获得。心率是监测心血管健康的主要生命体征，连续心跳监测可以检测脉搏异常以诊断潜在疾病；传统上，使用心电图（ECG）。适用于穿戴式应用的低功耗心电采集系统在文献中有大量报道，其中电压缩放、压缩采样和占空比变速箱降低了整体功耗。然而，许多此类系统的能效仅限于模拟信号调理模块；特征提取需要数字化和后端处理，需要额外的硬件和能量。此外，这些系统不能减轻真实世界的运动伪影。使用并行采集的运动相关生物阻抗信号或外部校准消除伪影可以实现动态监测，但这会导致额外的功耗。

研究内容

伍伦贡大学的研究人员提出了一种无电池、自适应运动的心跳检测系统，该系统由从人体热量中获取的能量持续供电。为了减轻运动伪影的影响，开发的架构使用脉宽锁定环(PWLL)为心跳检测算法生成自适应阈值电压。这种方法使用低功率模拟处理心电图信号，以提供对慢速和快速运动伪像的鲁棒抑制，从而能够在移动环境中准确检测心跳。SoC由一个低压自启动DC-DC升压转换器供电，支持最少数量的片外元件；一个便携式三甘醇、一个感应器和两个储能电容可以在一个可穿戴外形。该片上系统采用0.18微米互补金属氧化物半导体工艺制造，自启动电源电压低至55毫伏。该系统采用厘米级三甘醇供电，在三甘醇电源电压最低为20毫伏、输入功率为20微瓦的情况下，仍能保持完全正常工作。

实验方法

无电池心跳检测系统芯片架构包括四个主要模块。用于能量收集的电源管理单元具有一个带片外电感L的核心DC-DC升压转换器、片内启动电路、控制电路和用于电能传输的下游电路。一个低压片内电压倍增器最初提升输入电压，并为启动电路供电，以从冷启动状态激活初级升压转换器。冷启动后，升压转换器DVDD的输出电压达到1.5 V，并由滞后开-关电压调节器调节。为了给模拟信号调理电路提供干净的电源，DVDD是使用低压差(LDO)调节器和片内带隙基准电压源进一步调节至AVDD= 1.2 V。需要两个外部存储电容:一个在三甘醇的输出端，另一个在转换器的升压输出端；DVDDis上的1μF s t或g电容足以支持数字电路开关电流。

使用自启动热电能量采集器的身体热量驱动的运动弹性心跳检测SoC架构。

(1)由于快速运动导致的心电图信号中的突然瞬态伪影，以及(2)用于运动伪影弹性心跳检测的基于自适应阈值的微分心电图信号的双侧比较。

用于自主热电能量收集的单电感自启动升压转换器结构。

微分器电路，用于在心电图信号中产生对应于QRS复合波的双极性峰值。

结论

研究人员提出了一种低功耗、运动自适应心跳检测系统，该系统展示了一种完全无电池、由人体热量驱动的自主可穿戴传感器SoC。通过微分心电图输出与使用PWLL产生的自适应阈值电压的双边比较来提供慢和快运动伪影抑制；这种方法使系统能够在移动条件下准确测量心跳。此外，集成DC-DC升压转换器的高效运行和低电压冷启动使基于TEG的能量采集器能够自给自足，无需电池和占空比操作即可连续运行。少量所需的片外元件和紧凑的封装展示了所设计的SoC对贴身设备的适用性。总体而言，所提出的方法表明在能量收集限制的背景下，低功率感测和智能处理对于实现可持续的、连续的健康监测的潜力。

DOI：10.1109 / JSSC.2020.3013789。