可穿戴醫(yī)療保健產(chǎn)品的應(yīng)用已從運(yùn)動跟蹤擴(kuò)展到血氧水平、血糖水平、體溫等的持續(xù)監(jiān)測。而超低功耗模擬人體傳感器、數(shù)字微控制器以及創(chuàng)新電源和電池管理電路的開發(fā)等技術(shù)都在推動可穿戴設(shè)備的增長。

在臨床環(huán)境中，可穿戴產(chǎn)品可以采集監(jiān)測到幾乎所有人體信號，且高精度低價(jià)格。

根據(jù)市場研究公司IHS的分析，2019年全球可穿戴產(chǎn)品的出貨量超過2億件，在六年的時(shí)間內(nèi)翻了一番。

盡管如此，在可穿戴設(shè)備根植到更多人的日常生活中之前，仍必須解決與可靠性和準(zhǔn)確性相關(guān)的許多問題。這些設(shè)備必須高度可靠，因?yàn)樽x數(shù)可能用于生活方式調(diào)整或作為疾病的預(yù)警信號。為此，設(shè)計(jì)的生物傳感器必須能夠克服惡劣環(huán)境、汗水、運(yùn)動和環(huán)境光等因素帶來的測量挑戰(zhàn)。

優(yōu)異的連接性

任何可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵要求是連接性。無縫無線連接已成為當(dāng)今可穿戴設(shè)備的必備項(xiàng)之一。無線傳輸允許將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁蟮娘@示屏或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集設(shè)備。低功耗藍(lán)牙(BLE)是適合這一用途的新興標(biāo)準(zhǔn)。此外，近場通信(NFC)提供有限范圍內(nèi)的無線連接，非常適合短內(nèi)容傳輸，例如配置信息和記錄數(shù)據(jù)檢索等。

例如，在開發(fā)一種產(chǎn)品(如新款健身手環(huán))時(shí)，工程師需要考慮需要傳輸多少數(shù)據(jù)、傳輸?shù)念l繁度以及傳輸范圍。如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量達(dá)到兆字節(jié)，則設(shè)計(jì)人員可能會考慮使用傳統(tǒng)藍(lán)牙或Wi-Fi。

范圍是另一個(gè)決定因素。BLE通常可以在30米視線范圍內(nèi)通信。此外，使用場景因素也有影響，例如設(shè)備是否與智能手機(jī)通信，以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云以進(jìn)行分析。

能夠承受考驗(yàn)

許多可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在運(yùn)動和其他高強(qiáng)度活動中配戴。耐用性是相對的;救生設(shè)備與自行車運(yùn)動員所配戴的運(yùn)動監(jiān)測設(shè)備的要求不同。

真實(shí)條件下的可靠性意味著能夠應(yīng)對電子設(shè)備通常不需要處于其中的環(huán)境。這些組件包括用于多參數(shù)監(jiān)測的低功耗模擬前端(AFE)解決方案以及嵌入式模擬部件，例如運(yùn)算放大器、電流感應(yīng)放大器、濾波器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等，所有這些都是將真實(shí)信號連接到數(shù)字系統(tǒng)所必需的。

特別是身體傳感器的電輸出幅度非常低，以毫伏和微伏計(jì)。這樣，許多適用于可穿戴健康應(yīng)用的傳感器與單個(gè)晶片或封裝內(nèi)的放大和轉(zhuǎn)換電路相結(jié)合，以輸出更高電平的模擬信號或串行數(shù)字信號。

示例：處理閃爍問題

光電容積脈搏波(PPG)是一種簡單且廉價(jià)的光學(xué)測量方法，通常用于心率監(jiān)測和脈搏血氧(一種用于測量血液中氧氣含量水平的測試)讀數(shù)。PPG是一種非侵入性技術(shù)，在皮膚表面使用光源和光電探測器來測量血液循環(huán)的體積變化。

遺憾的是，光學(xué)傳感器在使用中會也接收環(huán)境光。由于室內(nèi)照明通常包含閃爍，可能會干擾PPG信號，因此尤其麻煩。根據(jù)全球地區(qū)差異，室內(nèi)燈光可能會以50Hz或60Hz的基本頻率閃爍。該頻率接近于PPG信號的采樣頻率。如果不進(jìn)行校正，環(huán)境閃爍會對每個(gè)樣本產(chǎn)生不同的偏置。

圖1：可穿戴PPG電路的主要任務(wù)是在節(jié)省功率的同時(shí)獲得最大信噪比(SNR)(來源：美信)

為了抵消這些影響，目前高級的PPGIC采用了智能信號路徑技術(shù)。算法也變得越來越復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在能夠以各種形式使用PPG，包括耳塞、戒指、項(xiàng)鏈、頭帶和臂帶、手環(huán)、手表和智能手機(jī)。

無論哪種形式，可穿戴傳感器都必須能夠可靠地運(yùn)行，同時(shí)克服常見噪聲和誤差源的影響。PPG傳感器的環(huán)境噪聲通常分為兩大類：光學(xué)噪聲和生理噪聲。

光學(xué)噪聲是指傳感器監(jiān)測到的光路變化特性與所觀察到的血液量光吸收無關(guān)。同樣，生理變化可能會改變組織中的血流量和體積，從而改變PPG信號。

MaximMAX30112手腕型應(yīng)用心率檢測解決方案具有專為減弱各種50Hz/60Hz閃爍成分而設(shè)計(jì)的先進(jìn)相關(guān)采樣技術(shù)，可以減輕閃爍對PPG信號的破壞作用。它以1.8V主電源電壓運(yùn)行，并帶有獨(dú)立的3.1V至5.25VLED驅(qū)動器電源。該器件支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容接口，并通過其軟件提供接近零待機(jī)電流的關(guān)機(jī)模式，從而使電源軌始終保持供電。

圖2：MaximMAX30112.的簡化框圖(來源：美信)

節(jié)省時(shí)間的工具

可穿戴醫(yī)療設(shè)備是執(zhí)行特定生物醫(yī)學(xué)功能的自主、無創(chuàng)性系統(tǒng)。這些設(shè)備跟蹤心跳、體溫、血氧和心電(ECG)信號。傳感器對某種物理輸入做出反應(yīng)，并通過生成信號(通常為電壓或電流形式)進(jìn)行回應(yīng)。此信號經(jīng)過整理與修正以使其更易于讀取，以合理的速率采樣，然后轉(zhuǎn)換為處理器可讀的信號。

要滿足所有這些要求，構(gòu)建可穿戴醫(yī)療保健產(chǎn)品可能既具有挑戰(zhàn)又耗費(fèi)時(shí)間。

幸運(yùn)的是，諸如美信的HealthSensorPlatform2.0之類的工具為腕戴式可穿戴設(shè)備提供了監(jiān)測心電信號、心率和體溫的功能，從而可節(jié)省數(shù)月的開發(fā)時(shí)間。