可穿戴設(shè)備的健康監(jiān)護設(shè)計方案

　　二十年前遇到緊急情況想打電話都找不到。二十年后，移動電話使我們能夠隨時隨地撥打電話。又經(jīng)過20 年的創(chuàng)新后，語音通話已不再是手機這款智能設(shè)備的主要功能，它不僅可以拍攝美麗的照片、播放音頻和視頻流文件，而且還提供各種各樣的服務(wù)——現(xiàn)在還逐漸成為我們的私人教練。配備傳感器或者連接到穿戴式傳感器后，這些設(shè)備可用來監(jiān)控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）和脂肪燃燒量——以及追蹤這些參數(shù)的日常變化趨勢。

　　現(xiàn)在，裝有多個傳感器的通用傳感器前端可監(jiān)控這些參數(shù)。最大的挑戰(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

　　沒了心跳，我們就會有大麻煩，因此，脈搏或心率至今仍是我們需監(jiān)控的最重要的參數(shù)。除了每分鐘心跳次數(shù)以外，我們還想檢查心臟行為與活動量的關(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。

　　心率和心臟活動監(jiān)護通常是使用心電圖（ECG）測量生理電信號來實現(xiàn)。連接到身體上的電極可測量心臟組織中心電的信號的活動。專業(yè)的診斷系統(tǒng)便是基于此原理，測量時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。

　　圖1. AD8232單導(dǎo)聯(lián)ECG前端

　　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 所示）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100 V/V 的儀表放大器和一個高通濾波器，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。

　　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。由于生理電勢法的信號電平極其微弱，所以無法做到這一點。

　　在光學(xué)系統(tǒng)中，光從皮膚表面投射出來。再由光電傳感器測量紅細胞吸收的光量。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。不過，手腕表層很少有動脈存在，腕部穿戴式設(shè)備必須通過皮膚表層下面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所示）具備完整的光度測量前端，并集成光電傳感器、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。

　　圖2. ADPD142光學(xué)模塊

　　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100 kHz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250 mA。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 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，但如果在鍛煉期間穿戴，運動腕表和護腕將很難消除運動偽像。光學(xué)傳感器（LED和光電檢測器）和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)備與人體相貼越緊密，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。

　　我們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。不過，最好是使用真正的運動傳感器。該傳感器不僅可準確測量應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的運動，而且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g 值時啟動某個應(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。內(nèi)置的12 位ADC可將加速度值轉(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100 Hz 時功耗僅為1.8μA，在400 Hz時為3.0 μA。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6 Hz，此時平均功耗為300 nA。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3.0 mm × 3.25 mm 封裝。圖3顯示了不同電源電壓條件下電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系圖。

　　圖3. ADXL362電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系

　　系統(tǒng)的核心是混合信號片上計量儀ADuCM350，它與所有這些傳感器相連，并負責(zé)運行必要的軟件，以及儲存、顯示或傳送結(jié)果。該器件集成高性能模擬前端（AFE）和16 MHz 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?？膳渲玫腁FE 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，并使用無丟碼16 位160 kSPS ADC 將這些信號數(shù)字化。其中，后者的積分非線性（INL）/差分非線性（DNL）最大值為±1-LSB，。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。

　　圖4. 集成AFE的Cortex-M3

　　AFE可在獨立模式下工作，無需Cortex-M3處理器干預(yù)?？删幊虝r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（DFT），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 處理器支持多種通訊端口，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80 MHz 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)備中的一個關(guān)鍵因素。本文介紹的設(shè)備在設(shè)計上要求性能高、尺寸小且功耗低，但在非常小的封裝內(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，電池仍然體積較大。

　　能量采集可減小電池尺寸并延長電池使用壽命。能量收集技術(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 所示）橋接收集器和電池。此高效開關(guān)模式電源可將輸入電壓從低至100 mV 升高到3 V。冷啟動期間，在電池完全放電的情況下，最小輸入電壓為380 mV，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100 mV 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3 mm × 3 mm 封裝，并可進行編程來支持各種不同的能量收集傳感器。最大靜態(tài)電流為250 nA，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其安全運行。

　　圖5. ADP5090能量采集器

　　結(jié)論

　　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，但這個快速增長的市場正在快速變化。