【導(dǎo)讀】人口正在老化，越來越多的人需要健康支持，這給醫(yī)療保健整體支出帶來巨大影響。有鑒于此，政府部門和健康保險企業(yè)愈來愈強調(diào)預(yù)防、健康意識和生活方式。這不只是關(guān)于實行更多或更好的營養(yǎng)攝入計劃，而是在一般意義上更關(guān)注監(jiān)測某些重要身體參數(shù)。正因如此，從事智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司近年來營收明顯增長。
人口正在老化，越來越多的人需要健康支持，這給醫(yī)療保健整體支出帶來巨大影響。有鑒于此，政府部門和健康保險企業(yè)愈來愈強調(diào)預(yù)防、健康意識和生活方式。這不只是關(guān)于實行更多或更好的營養(yǎng)攝入計劃，而是在一般意義上更關(guān)注監(jiān)測某些重要身體參數(shù)。正因如此，從事智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司近年來營收明顯增長。
買一塊健康手表并監(jiān)測身體參數(shù)，并不意味著您生活得更健康。關(guān)鍵在于通過較長時間監(jiān)測某些身體參數(shù)來熟悉這些數(shù)值并加以利用，進而調(diào)整自己每天的生活以獲得改善。這個過程可幫助您了解身體如何工作，以及如何降低長期健康成本。
本文介紹ADI公司最新可穿戴VSM平臺和所用的傳感器技術(shù)（可穿戴設(shè)備如圖1所示）。ADI公司不是最終產(chǎn)品制造商。此平臺旨在提供一個參考，幫助電子設(shè)計人員和系統(tǒng)架構(gòu)師加快開發(fā)過程，為專業(yè)和醫(yī)療市場設(shè)計出新型、更智能、更精確的可穿戴設(shè)備。
圖1. ADI公司第二代集成式可穿戴設(shè)備參考設(shè)計
測量什么？如何測量及在哪里測量？
通過可穿戴設(shè)備可測量各類重要身體參數(shù)。根據(jù)總體目標(biāo)，測量某些參數(shù)比測量其他參數(shù)會更重要?？纱┐髟O(shè)備在身體上的位置在很大程度上決定了哪些參數(shù)可以測量，哪些不能測量。最明顯的位置是手腕。我們已習(xí)慣于在手腕上戴個物件，所以市場上有很多智能手表和腕戴設(shè)備之類的產(chǎn)品。除在手腕上進行測量以外，頭部也是佩戴可穿戴設(shè)備的好地方。例如，各式各樣的頭戴式耳機和耳塞中含有嵌入式傳感器，用來測量心率、氧飽和度、溫度等參數(shù)。身體上適合可穿戴設(shè)備的第三個位置是胸部。第一代心率監(jiān)護儀就是設(shè)計在胸帶上，這種生物電位測量方法至今仍是非常精確的技術(shù)。不過，現(xiàn)在傾向于使用胸貼，因為胸帶穿戴起來不是很舒服。已有多家制造商設(shè)計智能胸貼以監(jiān)測重要身體參數(shù)。
根據(jù)身體位置，我們不僅要選擇哪些參數(shù)可以測量，還要選擇使用何種技術(shù)。例如針對心率測量，生物電位測量是最古老的技術(shù)之一。其信號很強，利用兩個或更多電極便可從身體中輕松獲取。針對此方法，將電路集成在胸帶或耳機中再好不過。然而，在腕部等單一點處測量生物電位信號幾乎不可能。必須在產(chǎn)生電信號的心臟周圍測量。針對單點測量，光技術(shù)更合適。將光線射入組織中，捕捉并測量動脈中血流對光線的反射信號。從接收到的光信號可獲知逐搏心跳信息。該技術(shù)看似相當(dāng)直截了當(dāng)，但事實上存在多項挑戰(zhàn)和影響因素會使設(shè)計變得困難，比如運動和環(huán)境光線。
ADI公司第二代可穿戴設(shè)備參考平臺集成了上述大部分技術(shù)。該設(shè)備設(shè)計戴在手腕上，但您也可以去除軟帶，將設(shè)備貼在胸上，用作智能胸貼。該設(shè)備包含支持生物電位測量、光學(xué)心率測量、生物阻抗測量、運動跟蹤、溫度測量的技術(shù)，它們?nèi)技稍谝粋€微型電池供電設(shè)備中。
隱含用意
ADI公司為什么設(shè)計一個類似第二代可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)？此類系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠評估各種檢測技術(shù)并輕松測量身體的多個重要參數(shù)。測量結(jié)果可存儲在閃存中，或通過BLE無線連接發(fā)送到智能設(shè)備。由于測量是同時進行，因此它也有助于發(fā)現(xiàn)多個參數(shù)之間的相關(guān)性。生物醫(yī)療工程師、算法提供商和企業(yè)家不斷尋找新技術(shù)、應(yīng)用和使用場景以期及早檢測疾病，避免其發(fā)展到晚期，盡量降低疾病對身體的不利影響或損害。
傳感器成就該設(shè)備
該設(shè)備圍繞兩片堆疊成三明治形狀的PCB設(shè)計而成。主板包含低功耗處理器、無線BLE和完整的電源管理部分（包括電池調(diào)理和充電）。第二片板支持所有檢測技術(shù)。
PPG測量（光電血管容積圖）的光學(xué)系統(tǒng)圍繞ADI公司第二代光學(xué)模擬前端ADPD107而構(gòu)建。ADPD系列的功能框圖如圖2所示。
圖2. ADPD105/ADPD106/ADPD107功能框圖
ADPD107用作完整收發(fā)器，驅(qū)動系統(tǒng)中的LED并測量光電二極管的返回信號。目標(biāo)是針對消耗的一定LED電流量（電流傳輸比），測量盡可能高的光電流。輸入接收信號鏈圍繞可配置跨阻放大器而設(shè)計，其中增益編程有四個步進，最高達到200k。第二級負責(zé)抑制環(huán)境光。環(huán)境光干擾是一個大問題，尤其是當(dāng)調(diào)制光時，比如使用LED或節(jié)能燈的固態(tài)照明系統(tǒng)。環(huán)境光抑制模塊含有一個帶通濾波器，其后是一個積分器，用以支持同步解調(diào)。這是一個關(guān)鍵功能，能夠非常有效地抑制外部光干擾。當(dāng)因為某種原因而不需要環(huán)境光抑制級時，可以徹底旁路此模塊。
光學(xué)系統(tǒng)運用光脈沖。它有三個可編程的LED電流源。最大LED電流是可編程的，可以高達370 mA。脈沖寬度也是可編程的，可以窄至1 μs。但為了獲得良好的信號響應(yīng)，脈沖寬度應(yīng)在2 μs到3 μs左右。通常會提供一系列LED脈沖，同時模數(shù)轉(zhuǎn)換器對與LED發(fā)射脈沖相關(guān)的光電二極管接收信號進行采樣。數(shù)字引擎能夠?qū)Χ鄠€樣本進行平均以提高整體有效位數(shù)。
除光學(xué)系統(tǒng)外，機械設(shè)計對整體性能也有重大影響。該第二代設(shè)備的光學(xué)元件選擇分立器件。這給光電二極管選擇和LED波長提供了很大的靈活性，并且放寬了機械約束，例如LED和光電二極管之間的間距。第二代設(shè)備支持兩個綠光LED、一個紅光LED和一個紅外LED。對于在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方面沒有太多經(jīng)驗的設(shè)計者，集成完整光學(xué)模塊可能更容易。
關(guān)于光電二極管的數(shù)量、大小及LED波長選擇，存在一些不同的考慮。最新模塊的開發(fā)基于以下考慮：即使安裝在塑料窗口后面，其也能表現(xiàn)出非常好的光學(xué)性能。第一代需要一個分離窗口來抑制內(nèi)部光污染（可視為光串?dāng)_）。分離窗口有助于降低直接來自LED而未穿透到主體中的光線所引起的直流失調(diào)。這種分離窗口不容易集成，在成本上也沒有吸引力。最新系列（比如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ）已大幅改進，僅使用一個完整窗口，ILP效應(yīng)幾乎已降至0。
兩個AD8233模擬前端支持生物電位測量。 AD8233 （參見圖3）是 ADI公司第二代單導(dǎo)聯(lián)ECG前端，嵌入了右腿驅(qū)動(RLD)功能，設(shè)計用于在高噪聲環(huán)境中提取、放大、過濾微弱的生物電位信號。此器件的重點應(yīng)用是可穿戴設(shè)備、便攜式家庭護理系統(tǒng)和訓(xùn)練裝備。AD8233在交流耦合配置下工作。輸入級分為2個增益級。第一級的增益有限，后接一個二階高通濾波器和第二增益級。此輸入模塊的總增益為100 V/V，其中減去了電極半電池電位所引起的失調(diào)。AD8233的第二級結(jié)合了一個三階低通濾波器，它由一個二階Sallen Key濾波器和一個額外低通濾波器聯(lián)合而成。此濾波器的作用是抑制所有來自肌肉活動的EMG相關(guān)信號。
圖3. AD8233 ECG前端功能框圖
生物電位前端的工作頻率取決于使用場景。僅需要QRS檢測的普通心率監(jiān)護儀，其工作頻率范圍遠小于需要更多信息（例如來自P波、QRS波群和T波的時序和幅度數(shù)據(jù)）的ECG監(jiān)護儀。AD8233的目標(biāo)頻段可通過外部電阻和電容配置。為提供靈活性，第二代可穿戴設(shè)備的ECG前端連接到嵌入式電極，配置為運動帶寬，支持7 Hz至25 Hz的目標(biāo)頻段。第二個AD8233可以結(jié)合外部電極工作，配置用來監(jiān)測0.5 Hz至40 Hz的信號。原理上可以選擇幾乎任何帶寬。然而，這要求修改硬件，改變R和C設(shè)置。
根據(jù)精度要求，AD8233輸出可以送至傳感器板上Cortex ? -M3處理 器中嵌入的12位逐次逼近型(SAR) ADC，或由獨立的16位AD7689SAR ADC數(shù)字化。用戶可以根據(jù)精度或電池壽命進行權(quán)衡。
設(shè)備背面有兩個電極，這些電極具有雙重功能。除ECG測量外，其還可用于皮膚電活動(EDA)測量。
EDA或皮膚電反應(yīng)(GSR)與皮膚電導(dǎo)率有關(guān)，而內(nèi)部或外部刺激引起的情緒變化會暫時改變皮膚電導(dǎo)率，例如壓力或癲癇會導(dǎo)致皮膚阻抗改變。第二代設(shè)備能夠檢測這種微小的電導(dǎo)率變化。系統(tǒng)利用交流激勵信號，其施加于兩個干電極上。也可以使用濕電極，效果會更好。不過，該設(shè)備僅利用兩個嵌入式不銹鋼干電極。使用交流激勵信號的主要優(yōu)勢是它不會使電極極化。接收信號鏈代表一個跨阻放大器，后接AD7689 16位SAR型ADC。出于性能原因，ADC采樣速率遠高于激勵速率。ADC輸出之后是一個運行在ADuCM3029處理器上的離散傅里葉變換(DFT) 引擎，用以表示復(fù)阻抗。上述測量原理能以高信噪比測量皮膚阻抗或皮膚電導(dǎo)率，并且非常好地抑制50 Hz/60 Hz環(huán)境信號。電路基于此測量原理而構(gòu)建，完全采用分立器件。這一設(shè)計決策的主要原因是靈活性、精度和相當(dāng)?shù)偷墓?。與此同時，ADI 公司正在開發(fā)一款支持上述應(yīng)用的新芯片。其精度非常高，而功耗極小。ADuCM350也支持類似測量，但此芯片未針對功耗敏感型應(yīng)用而優(yōu)化。
如果僅測量生命體征參數(shù)而不了解測量時身體處于何種狀態(tài)，那么可穿戴設(shè)備是無價值的。因此，運動檢測和剖析很重要。像光學(xué)心率監(jiān)測之類的使用場景對運動非常敏感，運動可能完全破壞測量精度。有鑒于此，運動也需要加以追蹤以補償偽像。運動傳感器有助于追蹤運動，如果需要，可以在最終讀數(shù)結(jié)果中補償運動。 ADXL362 是目前功耗最低的運動傳感器。它有一個3軸MEMS傳感器并集成12位ADC，可檢測X、Y和Z軸上的運動。ADC的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)反映傳感器的功耗，在每軸400 Hz的全ODR時功耗為3 μA。圖4顯示了功耗與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。
圖4. ADXL362功耗與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系
此傳感器也可用作運動激活開關(guān)。采樣速率可以降至僅6 Hz。每隔150 ms，傳感器便喚醒并測量運動。若無運動，它將徑直回到睡眠狀態(tài)，再睡眠150 ms。當(dāng) g 力等于或高于設(shè)定的閾值水平且至少持續(xù)設(shè)定的最短時間時，說明檢測到運動，傳感器隨即產(chǎn)生中斷或使能電源開關(guān)以開啟應(yīng)用。在此模式下，傳感器功耗僅300 nA，依靠單顆紐扣電池便可運行數(shù)年?？偨Y(jié)所有這些使用場景，可知運動傳感器在可穿戴設(shè)備中必不可少。
溫度檢測是另一個重要參數(shù)。這正是第二代可穿戴設(shè)備嵌入兩個溫度傳感器的原因。腕帶設(shè)備利用NTC測量皮膚溫度和設(shè)備內(nèi)部溫度，通過與身體接觸的傳感器測量溫度的方法有多種。NTC由分立電路供電和調(diào)理，16位ADC最終將信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。ADI公司擁有類型廣泛和各種精度水平的溫度傳感器。第二代的溫度傳感器構(gòu)建成分立式的原因是有ADC等多個功能可供使用，設(shè)計者可以盡可能多地重用若干模塊以減少冗余性，并節(jié)省更多功耗。
ADuCM3029——集大成者
第二代設(shè)備運用兩個處理器。并不是非要不可，其目的是提供更大的靈活性。帶無線BLE的接口板有一個處理器，該器件也用在傳感器板上以便能自主運行。
設(shè)備中集成了超低功耗 ADuCM3029 以收集傳感器數(shù)據(jù)并運行算法。圖5為該處理器中的集成模塊概覽。
圖5. ADuCM3029集成模塊
內(nèi)核是一個26 MHz Cortex-M3，具有豐富的外設(shè)組合、片上存儲器和模擬前端。它有4種工作模式，全面運行模式下的芯片功耗為38 μA/MHz。如不需要處理能力，設(shè)備可在靈活模式下運行。在這種工作模式下，模擬前端運行，外設(shè)有效，測得的信號可通過DMA存儲在存儲器中。此模式的功耗僅有300 μA，故該芯片對低功耗電池供電系統(tǒng)非常有吸引力。其中還嵌入了多項安全特性以保護代碼，并有一個硬件加速器用于加密功能。
使用場景的選擇
第二代可穿戴設(shè)備有很多用途。傳感器可以集成到智能手表中，但包括精確心率監(jiān)測和運動/卡路里消耗測量在內(nèi)的眾多功能對運動手表也很有利。智能手表和運動手表的主要區(qū)別在于對精度和電池壽命的取舍不同。
該設(shè)備可用來測量壓力或情感狀態(tài)。通常利用組合測量來獲得可靠的讀數(shù)，例如皮膚阻抗、心率變化和溫度的組合。
另一個有意義的使用情形是血壓監(jiān)控。這是一個非常重要的參數(shù)，但大部分系統(tǒng)是基于護腕的，很難集成到可穿戴式連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)中。某些技術(shù)無需護腕便可測量血壓。有一種技術(shù)利用脈搏波傳輸時間(PTT)，這要求ECG測量與PPG測量相結(jié)合。第二代可穿戴設(shè)備內(nèi)部的傳感器支持此技術(shù)。
最后一個重要市場與老年護理和獨立生活有關(guān)。社會對能幫助護理人員遠程監(jiān)測某些參數(shù)的系統(tǒng)有巨大需求。該可穿戴設(shè)備支持95%的功能需求。系統(tǒng)可監(jiān)測多項生命體征參數(shù)。它不僅能識別人是在移動還是在行走，而且能檢測人是否跌倒?？纱┐髟O(shè)計缺失的一塊是應(yīng)急按鈕，但這只需將處理器上的一個I/O引腳連接到設(shè)備上方的一個開關(guān)便能實現(xiàn)。
從原型到產(chǎn)品
第二代設(shè)備在一個小型可穿戴系統(tǒng)中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設(shè)計外，還考慮了許多機械設(shè)計方面。這使得該平臺對聚焦于半專業(yè)運動市場、醫(yī)療市場以及智能建筑、獨立生活、老年護理系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)的設(shè)計公司和設(shè)備制造商極具吸引力。所有參數(shù)可以同時測量，但算法需要助力應(yīng)用以支持使用場景。測試和驗證算法之前無需構(gòu)建硬件，開發(fā)商和設(shè)備制造商可利用此設(shè)備快速開始項目。第二代設(shè)備供貨數(shù)量有限，ADI公司非常有興趣與設(shè)計公司和算法提供商合作，開發(fā)可出售給專業(yè)看護和醫(yī)療保險公司的先進系統(tǒng)。
（來源：中電網(wǎng)，作者：Jan-Hein Broeders）
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