健康監(jiān)護正在走向可穿戴設(shè)備的一些解決方案
隨著時代的發(fā)展,手機的功能越來越多,不僅可以拍攝美麗的照片、播放音頻和視頻流文件,還可以訪問各種各樣的服務(wù)—現(xiàn)在還逐漸成為人們的私人教練。配備傳感器或者連接到穿戴式傳感器后,這類設(shè)備可用來監(jiān)控人們的日常活動和個人健康狀況。在不斷增強的健康意識推動下,人們開始關(guān)注測量生命體征參數(shù)——如心率、體溫、血氧飽和度、血壓、活動水平(運動量)和卡路里燃燒量—以及追蹤這些參數(shù)的日常變化趨勢。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/309265.htm現(xiàn)在,裝有多個傳感器的通用傳感器前端可以監(jiān)控這些參數(shù)。而更大的挑戰(zhàn)是最大程度地縮小尺寸并延長電池使用壽命。本文將討論面向迅猛增長的可穿戴電子產(chǎn)品市場的解決方案。
最重要的生命體征信號
脈搏或心率是需要監(jiān)控的最重要的參數(shù)之一。除了每分鐘心跳次數(shù)以外,還應(yīng)該檢查心臟行為與活動量的函數(shù)關(guān)系。心律也非常重要,因為快速變化的心率是心臟疾病的征兆。
心率和心臟活動的監(jiān)護通常是使用心電圖(ECG)測量生理電信號來實現(xiàn)的。連接到身體上的電極可測量出心臟組織中心電活動所產(chǎn)生的信號。專業(yè)的診斷系統(tǒng)就基于此原理,其在胸部和四肢最多可連接10個電極。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相關(guān)詳細信息。
單導(dǎo)聯(lián)ECG在體育界的應(yīng)用越來越普遍,其使用雙電極胸帶來測量心臟活動。雖然可檢測到各種ECG波形,但大多數(shù)系統(tǒng)只測量心率。這些胸帶穿戴起來并不舒服。因此,體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案,例如將電極集成到運動衫上。AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護儀前端(如圖1)就是專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)的。該器件內(nèi)置增益為100V/V的儀表放大器和高通濾波器,能阻止皮膚上電極的半電池電位產(chǎn)生的失調(diào)電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動產(chǎn)生的高頻分量(EMG信號)。此低功耗前端功耗為170μA,可與16位片上計量儀ADuCM350配合使用,進行高性能、單導(dǎo)聯(lián)ECG測量。
測量心率的新方法
心率測量的新趨勢是光電容積圖(PPG),這是一種無需測量生物電信號就能獲得心臟功能信息的光學(xué)技術(shù)。PPG主要用于測量血氧飽和度(SpO2),但也可不進行生物電信號測量就提供心臟功能信息。借助PPG技術(shù),心率監(jiān)護儀可集成到手表或護腕等可穿戴設(shè)備上。因為生理電勢法信號電平極其微弱,所以無法做到這一點。
在光學(xué)系統(tǒng)中,光通過皮膚表面發(fā)射。光電傳感器對紅細胞吸收的光量進行測量。隨著心臟跳動,不斷變化的血容量使接收到的光量分散開來。在手指或耳垂上進行測量時,由于這些部位有相當(dāng)多的動脈血,使用紅光或紅外光源可獲得最佳精度。但是,手腕上方很少有動脈存在,腕部穿戴式設(shè)備必須通過皮膚表層下方的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量,因此綠光效果會更好。
ADPD142光學(xué)模塊(如圖2)具備完整的光度測量前端,并集成了光電傳感器、電流源和LED。該器件專為測量反射光而設(shè)計,可用來實現(xiàn)PPG測量,所有元件都封裝在一個小小的模塊上。
使用光學(xué)VSM所面臨的挑戰(zhàn)
利用腕部穿戴式設(shè)備測量PPG面臨的主要挑戰(zhàn)來自環(huán)境光和運動產(chǎn)生的干擾。陽光產(chǎn)生的直流誤差相對而言比較容易消除,但日光燈和節(jié)能燈發(fā)出的光線都帶有可引起交流誤差的頻率分量。模擬前端使用兩種結(jié)構(gòu)來抑制DC至100kHz的干擾信號。模擬信號經(jīng)過調(diào)理后,14位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)將該信號數(shù)字化,再通過I2C接口發(fā)送到微處理器進行最終后處理。
同步發(fā)送路徑與光接收器并行集成在一起。其獨立的電流源可驅(qū)動兩個單獨的LED ,電流電平最多可編程至250mA。LED電流是脈沖電流,脈沖長度在微秒級,因此可保持較低的平均功耗,從而最大程度地延長電池使用壽命。
LED驅(qū)動電路是動態(tài)電路且可即時配置,因此不受各種環(huán)境條件影響,例如環(huán)境光、穿戴者皮膚和頭發(fā)的色澤或傳感器和皮膚之間的汗液,這些都會降低靈敏度。激勵LED的配置非常方便,可用于構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有時序和同步均由模擬前端處理,因此不會增加系統(tǒng)處理器的任何開銷。
ADPD142提供兩種版本:ADPD142RG集成紅光LED和綠光LED,用于支持光學(xué)心率監(jiān)護;ADPD142RI集成紅光LED和紅外LED,用于進行血氧飽和度(SpO2)測量。
運動的影響
運動也會干擾光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)光學(xué)心率監(jiān)護儀用于睡眠研究時,這可能不是問題,但在鍛煉期間佩戴運動腕表和護腕,將會很難消除運動偽像。光學(xué)傳感器(LED和光電檢測器)與皮膚之間的相對運動會降低光信號的靈敏度。此外,運動的頻率分量也可能會被視為心率測量,因此必須測量該運動并進行補償。設(shè)備與人體貼得越緊密,這種影響就越小,但采用機械方式消除這種影響幾乎是不可能的。
可使用多種方法來測量運動。其中一種是光學(xué)方法,即使用多個LED波長。共模信號表示運動,而差分信號用來檢測心率。但是,最好是使用真正的運動傳感器。這不僅可以準確測量施加到可穿戴設(shè)備的運動,還可用于提供其他功能,例如跟蹤活動、計算步數(shù)或者在檢測到特定重力時啟動某個應(yīng)用。
ADXL362是一款微功耗、3軸MEMS(微機電系統(tǒng))加速度計,非常適合在電池供電型可穿戴應(yīng)用中檢測運動。其1 2位ADC可將加速度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,分辨率為1-mg。功耗隨采樣速率動態(tài)變化,當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz時功耗僅為1.8μA,在400Hz時為3.0μA。這些較高的數(shù)據(jù)速率對于用戶接口來說非常有用,例如單擊/雙擊檢測。
對于在檢測到運動時啟動某個應(yīng)用的情況,則無需進行高速采樣,因此可將數(shù)據(jù)速率降至6Hz,此時平均功耗為300nA。因而,對于低功耗應(yīng)用和不易更換電池的植入式設(shè)備來說,此傳感器非常有吸引力。ADXL362采用3.0mm×3.25mm封裝。圖3顯示了在不同的電源電壓的條件下,電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系。
系統(tǒng)中各傳感器的連接
系統(tǒng)的核心是混合信號片上計量儀ADuCM350,它與所有傳感器相連,并負責(zé)運行必要的軟件,以及儲存、顯示或傳送結(jié)果。該器件集成了高性能模擬前端(AFE)和16MHz ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核,如圖4所示。AFE的靈活性和微處理器豐富的功能組合使此芯片成為便攜式應(yīng)用和可穿戴應(yīng)用的理想選擇。可配置的AFE支持幾乎所有傳感器,其可編程波形發(fā)生器可使用交流或直流信號為模擬傳感器供電。高性能的接收信號鏈會對傳感器信號進行調(diào)理,并使用積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)最大值為±1LSB的無丟碼真16位160kSPS ADC將這些信號數(shù)字化。該接收信號鏈支持任何類型的輸入信號,包括電壓、電流、恒電勢、光電流和復(fù)阻抗。
AFE 可在獨立模式下工作, 無需Cortex-M3處理器干預(yù)。可編程時序控制器控制測量引擎,測量結(jié)果通過DMA儲存到存儲器內(nèi)。開始測量前,可執(zhí)行校準程序,以校正發(fā)送和接收信號鏈中的失調(diào)和漂移誤差。對于復(fù)阻抗測量,如血糖、體質(zhì)指數(shù)(BMI)或組織鑒別應(yīng)用,內(nèi)置DSP加速器可實現(xiàn)2048點單頻離散傅里葉變換,而無需M3處理器干預(yù)。這些高性能AFE功能使ADuCM350具有其他集成解決方案無可比擬的獨特優(yōu)勢。
Cortex處理器支持多種通信端口,包括I2S、USB、MIPI和LCD顯示驅(qū)動器(靜態(tài))。此外,它還包括閃存、SRAM和EEPROM,并且支持五種不同的電源模式,可最大程度地延長電池使用壽命。
ADuCM350設(shè)計用于超低功耗傳感器,性能限制為低速器件。對于要求更高處理能力的應(yīng)用,可使用工作頻率高達80MHz的M3內(nèi)核或者Cortex-M4處理器內(nèi)核。
功耗如何?
功耗一直是便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的一個關(guān)鍵因素。本文介紹的器件針對高性能、小尺寸和低功耗要求而設(shè)計,但在小封裝內(nèi)集成所有一切器件(包括電池)仍然是一個挑戰(zhàn)。盡管新的電池技術(shù)實現(xiàn)了每mm3更高的容量,但與電子產(chǎn)品相比,電池體積仍然較大。
能量采集可減小電池尺寸并延長電池使用壽命。能量采集技術(shù)有多種,包括熱電、壓電、電磁和光電等技術(shù)—對于可穿戴設(shè)備,利用光和熱最為合適。傳感器通常不會產(chǎn)生大量輸出功率,因此每焦耳熱量都應(yīng)當(dāng)可以被捕獲和使用。ADP5090超低功耗升壓調(diào)節(jié)器(如圖5)將采集器和電池橋接起來。此高效的開關(guān)電源可將輸入電壓從低至100mV升高到3V。冷啟動期間,在電池完全放電的情況下,需要的最小輸入電壓為380mV,但在正常工作時,如果電池電量沒有完全耗盡或者還有一些電能留在超級電容內(nèi),任何低至100mV的輸入信號都可轉(zhuǎn)換為較高的電位并儲存下來,以供稍后使用。
該芯片采用微型3mm×3mm封裝,可進行編程來支持各種不同的能量采集傳感器。其最大靜態(tài)電流為250nA,支持幾乎所有電池技術(shù)—從鋰離子電池到薄膜電池以及超級電容均可。集成式保護電路可確保安全運行。
小結(jié)
本文介紹了一些用于可穿戴和個人健康應(yīng)用的低功耗產(chǎn)品,但是這個快速增長的市場正在快速變化。ADI公司的技術(shù)可以將這些頗具挑戰(zhàn)性的難題轉(zhuǎn)變?yōu)橥晟频漠a(chǎn)品和完整的解決方案。
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