醫(yī)療智能穿戴設(shè)備硬件方案

隨著互聯(lián)健康概念的興起，醫(yī)療智能穿戴設(shè)備市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，根據(jù)市場(chǎng)研究公司Counterpoint Research調(diào)查指出，疫情促使消費(fèi)者健康意識(shí)提高，這更使得醫(yī)療智能穿戴設(shè)備受到市場(chǎng)青睞，增長(zhǎng)幅度不斷攀高。

本次我們通過(guò)技術(shù)型分銷商Excelpoint世健邀請(qǐng)了來(lái)自專業(yè)醫(yī)療智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域企業(yè)的工程師馮工跟大家分享實(shí)戰(zhàn)案例。該公司是世健多年的客戶，主要從事醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)。而馮工有著深厚的學(xué)術(shù)和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

項(xiàng)目需求

■   可穿戴產(chǎn)品尺寸小，要求器件選型封裝小、集成度高；

■   超低功耗，可充電電池供電；

■   有連續(xù)監(jiān)測(cè)心率功能；

■   有連續(xù)監(jiān)測(cè)血氧飽和度功能；

■   計(jì)步功能，能存一個(gè)月以上的數(shù)據(jù)量，掉電不丟失。

心率監(jiān)測(cè)方案

心率監(jiān)測(cè)可基于心電信號(hào)檢測(cè)，人體心臟的周期性跳動(dòng)是有生物電信號(hào)精密控制的，只要能夠捕捉到心電信號(hào)，就能計(jì)算心率，但是心電檢測(cè)需要獲取人體多處電位，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、方案成本高。有一種方案是諧振式檢測(cè)方案，傳感器感應(yīng)動(dòng)脈搏動(dòng)的壓力變化，從而統(tǒng)計(jì)出心率。但該方案的實(shí)現(xiàn)需要將設(shè)備放置于人體脈搏明顯的部位，對(duì)于可穿戴設(shè)備佩戴方式將是一種挑戰(zhàn)。還有一種方案是光電式檢測(cè)，基本原理是血液會(huì)反射紅光而吸收綠光。心臟跳動(dòng)時(shí)，流經(jīng)皮膚的血液會(huì)增加，吸收的綠光也會(huì)增加；心跳間隔期，血液在血管中流量減少隨之吸收綠光減少。當(dāng)設(shè)備使用綠色LED，配合對(duì)光敏感的光電傳感器，就可以檢測(cè)任意時(shí)間點(diǎn)流經(jīng)人體皮膚各處的血液流量，通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以每次血流量的最高點(diǎn)作為一次周期，這樣就可以計(jì)算心率。并且可以將設(shè)備設(shè)計(jì)成手表形態(tài)，方便的戴于手腕處。

基于光電式的心率監(jiān)測(cè)方案（也稱光電容積脈搏波描記法PPG），硬件上需要有光源驅(qū)動(dòng)、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理等模塊。一般光源驅(qū)動(dòng)我們選擇恒流源（需要可以微調(diào)電流和一定的頻率開(kāi)關(guān)）；光電轉(zhuǎn)換選擇光電二極管然后用運(yùn)放進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理；最后用A/D芯片實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換并送至MCU進(jìn)行處理。硬件方案如果采用分立器件，那么芯片數(shù)量較多，并且空間受限，所以最好還是采用集成器件。ADI公司擁有多功能光電式測(cè)量前端芯片（型號(hào)：ADPD105），完全集成式AFE、ADC、LED 驅(qū)動(dòng)器和時(shí)序內(nèi)核， 提供一流的環(huán)境光抑制性能，無(wú)需光電二極管濾光器；靈活的數(shù)字接口SPI、I2C 可供選擇；功耗低，1.8 V模擬/數(shù)字超低工作電源，待機(jī)模式僅0.3μA電流，適合電池供電的設(shè)備；靈活的采樣頻率范圍：0.122 Hz ~3820 Hz；多達(dá)3個(gè)LED恒流源，每通道峰值電流達(dá)370mA；擁有WLCSP芯片級(jí)封裝，極致的小體積適合空間受限應(yīng)用。其內(nèi)部功能框圖如圖1。

圖1

血氧飽和度監(jiān)測(cè)方案

光電容積脈搏波描記法（PPG）不僅可以用于心率檢測(cè)，通過(guò)一定算法處理也可測(cè)量血氧，為無(wú)創(chuàng)式血氧監(jiān)測(cè)提供了很好的方案。

原理：由于氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）這兩種物質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)600 ~ 1000nm的光具有一定的吸收特性。Hb對(duì)600 ~ 800nm之間的光吸收系數(shù)更高，HbO2對(duì)800~1000之間光的吸收系數(shù)更高。所以可以利用紅光（600 ~ 800nm）和接近紅外（IR）（800 ~ 1000nm）的光分別檢測(cè)HbO2和Hb的PPG信號(hào)，再通過(guò)程序處理算出相應(yīng)的比值，這樣就得到了血氧值。

利用ADPD105其中兩通道LED恒流源分別驅(qū)動(dòng)紅光LED和近紅外LED，另外一通道恒流源驅(qū)動(dòng)綠光LED用于心率檢測(cè)，對(duì)于光接受器可以使用同一個(gè)，分時(shí)復(fù)用，分別去采集心率信號(hào)和血氧信號(hào)，在最少的器件下高效完成數(shù)據(jù)采集，綜合成本最低。另外近期關(guān)注的ADI新產(chǎn)品ADPD410X，是ADPD系列比較新的產(chǎn)品，它同時(shí)擁有8路LED驅(qū)動(dòng)光路和8路的數(shù)據(jù)采集通道，更高的集成度和采樣精度，同時(shí)支持PPG，ECG和EDA的測(cè)量。它能作為本案的功能拓展方案。

計(jì)步功能方案

計(jì)步方案使用最多的就是三軸加速度傳感器，通過(guò)算法識(shí)別行走時(shí)的三軸動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能。本方案是基于可穿戴設(shè)備，因此芯片的功耗、體積成為重要考慮因素。ADXL363是一款超低功耗的3個(gè)傳感器組合產(chǎn)品，由3軸MEMS加速度計(jì)、溫度傳感器和用于同步轉(zhuǎn)換外部信號(hào)的ADC輸入端組成。整個(gè)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)速率為100 Hz時(shí)功耗低于2μA，在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下功耗為270 nA；1.6~3.5V工作電源范圍，便捷的兼容其他器件的電源；ADXL363還提供針對(duì)內(nèi)部ADC的訪問(wèn)，可同步轉(zhuǎn)換外部的模擬輸入。緊湊型的LGA封裝非常符合可穿戴式設(shè)備應(yīng)用。其內(nèi)部功能框圖如圖2。

圖2

MCU選型

本方案MCU選型需要兼顧高性能和低功耗。ADI公司的ADuCM3029擁有超低功耗特性：活動(dòng)模式（完全開(kāi)啟模式）：< 30μA/MHz（典型值），休眠模式（帶SRAM保留）：<750nA（典型值），關(guān)斷模式（可選RTC活動(dòng)）：<60nA（典型值）；集成MPU的ARM^? Cortex^?-M3處理器，高性能內(nèi)核處理算法游刃有余；集成ECC的256 KB嵌入式閃存，方便存儲(chǔ)離線數(shù)據(jù)；較低的電壓供電（1.74V至3.6V）可以允許使用紐扣電池；片內(nèi)外設(shè)SPI、UART、IIC、Timer、DAC、DMA、Watchdog應(yīng)有盡有，方便使用；內(nèi)置32kHz振蕩器和26MHz高頻振蕩器，也支持外部時(shí)鐘源；擁有兩種緊湊型WLCSP/LFCSP可供選擇，適用于體積空間受限的應(yīng)用。

另外可利用高性能的ADuCM4050作為高端升級(jí)版本的選擇，它擁有更好的性能和更低功耗在休眠和關(guān)斷模式下，在：活動(dòng)模式（完全開(kāi)啟模式）：< 41μA/MHz（典型值），休眠模式（帶SRAM保留）：<650nA（典型值），關(guān)斷模式（可選RTC活動(dòng)）：<50nA（典型值）；ARM Cortex-M4F處理器，52 MHz，并帶FPU, MPU, ITM, SWD接口，兼容性更強(qiáng)，EEC的升級(jí)至512KB，方便存儲(chǔ)更多的離線數(shù)據(jù)；

電源方案

可穿戴式設(shè)備需要可充電電源，一般選用鋰電池，因此需要鋰電池管理芯片。LTC4065L是一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒流/恒壓線性充電器，由于外形尺寸?。―FN封裝2mm*2mm），能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)低充電電流，因而非常適用于低容量鋰電池；而且可以通過(guò)USB標(biāo)準(zhǔn)取電工作；還有強(qiáng)大的充電異常保護(hù)功能：自動(dòng)再充電、低電池電量充電調(diào)節(jié)（涓流充電）、軟器動(dòng)功能（用于限值涌入電流）。

方案中MCU、加速度傳感器、模擬前端芯片都可以工作在1.8V范圍，對(duì)于鋰電池的3.7V還需要LDO用于降壓。由于有模擬電路，故需選擇盡量低噪聲的LDO。LT 3042擁有超低噪聲0.8μVRMS(10 Hz~100 kHz)，超高電源抑制比（最低79 dB @1MHz）；超低的工作壓降（350mV）；輸出可調(diào)（0~15V）；緊湊型DFN封裝（3mm*3mm）。