【導讀】人口正在老化，越來(lái)越多的人需要健康支持，這給醫療保健整體支出帶來(lái)巨大影響。有鑒于此，政府部門(mén)和健康保險企業(yè)愈來(lái)愈強調預防、健康意識和生活方式。這不只是關(guān)于實(shí)行更多或更好的營(yíng)養攝入計劃，而是在一般意義上更關(guān)注監測某些重要身體參數。正因如此，從事智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司近年來(lái)營(yíng)收明顯增長(cháng)。
人口正在老化，越來(lái)越多的人需要健康支持，這給醫療保健整體支出帶來(lái)巨大影響。有鑒于此，政府部門(mén)和健康保險企業(yè)愈來(lái)愈強調預防、健康意識和生活方式。這不只是關(guān)于實(shí)行更多或更好的營(yíng)養攝入計劃，而是在一般意義上更關(guān)注監測某些重要身體參數。正因如此，從事智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司近年來(lái)營(yíng)收明顯增長(cháng)。
買(mǎi)一塊健康手表并監測身體參數，并不意味著(zhù)您生活得更健康。關(guān)鍵在于通過(guò)較長(cháng)時(shí)間監測某些身體參數來(lái)熟悉這些數值并加以利用，進(jìn)而調整自己每天的生活以獲得改善。這個(gè)過(guò)程可幫助您了解身體如何工作，以及如何降低長(cháng)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(gè)參考，幫助電子設計人員和系統架構師加快開(kāi)發(fā)過(guò)程，為專(zhuān)業(yè)和醫療市場(chǎng)設計出新型、更智能、更精確的可穿戴設備。
圖1. ADI公司第二代集成式可穿戴設備參考設計
測量什么？如何測量及在哪里測量？
通過(guò)可穿戴設備可測量各類(lèi)重要身體參數。根據總體目標，測量某些參數比測量其他參數會(huì )更重要?？纱┐髟O備在身體上的位置在很大程度上決定了哪些參數可以測量，哪些不能測量。最明顯的位置是手腕。我們已習慣于在手腕上戴個(gè)物件，所以市場(chǎng)上有很多智能手表和腕戴設備之類(lèi)的產(chǎn)品。除在手腕上進(jìn)行測量以外，頭部也是佩戴可穿戴設備的好地方。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(lái)測量心率、氧飽和度、溫度等參數。身體上適合可穿戴設備的第三個(gè)位置是胸部。第一代心率監護儀就是設計在胸帶上，這種生物電位測量方法至今仍是非常精確的技術(shù)。不過(guò)，現在傾向于使用胸貼，因為胸帶穿戴起來(lái)不是很舒服。已有多家制造商設計智能胸貼以監測重要身體參數。
根據身體位置，我們不僅要選擇哪些參數可以測量，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(gè)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(guò)。然而，在腕部等單一點(diǎn)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?chē)鷾y量。針對單點(diǎn)測量，光技術(shù)更合適。將光線(xiàn)射入組織中，捕捉并測量動(dòng)脈中血流對光線(xiàn)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)看似相當直截了當，但事實(shí)上存在多項挑戰和影響因素會(huì )使設計變得困難，比如運動(dòng)和環(huán)境光線(xiàn)。
ADI公司第二代可穿戴設備參考平臺集成了上述大部分技術(shù)。該設備設計戴在手腕上，但您也可以去除軟帶，將設備貼在胸上，用作智能胸貼。該設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(dòng)跟蹤、溫度測量的技術(shù)，它們全都集成在一個(gè)微型電池供電設備中。
隱含用意
ADI公司為什么設計一個(gè)類(lèi)似第二代可穿戴設備的系統？此類(lèi)系統的目標是能夠評估各種檢測技術(shù)并輕松測量身體的多個(gè)重要參數。測量結果可存儲在閃存中，或通過(guò)BLE無(wú)線(xiàn)連接發(fā)送到智能設備。由于測量是同時(shí)進(jìn)行，因此它也有助于發(fā)現多個(gè)參數之間的相關(guān)性。生物醫療工程師、算法提供商和企業(yè)家不斷尋找新技術(shù)、應用和使用場(chǎng)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。
傳感器成就該設備
該設備圍繞兩片堆疊成三明治形狀的PCB設計而成。主板包含低功耗處理器、無(wú)線(xiàn)BLE和完整的電源管理部分（包括電池調理和充電）。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)系統圍繞ADI公司第二代光學(xué)模擬前端ADPD107而構建。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，驅動(dòng)系統中的LED并測量光電二極管的返回信號。目標是針對消耗的一定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計，其中增益編程有四個(gè)步進(jìn)，最高達到200k。第二級負責抑制環(huán)境光。環(huán)境光干擾是一個(gè)大問(wèn)題，尤其是當調制光時(shí)，比如使用LED或節能燈的固態(tài)照明系統。環(huán)境光抑制模塊含有一個(gè)帶通濾波器，其后是一個(gè)積分器，用以支持同步解調。這是一個(gè)關(guān)鍵功能，能夠非常有效地抑制外部光干擾。當因為某種原因而不需要環(huán)境光抑制級時(shí)，可以徹底旁路此模塊。
光學(xué)系統運用光脈沖。它有三個(gè)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，脈沖寬度應在2 μs到3 μs左右。通常會(huì )提供一系列LED脈沖，同時(shí)模數轉換器對與LED發(fā)射脈沖相關(guān)的光電二極管接收信號進(jìn)行采樣。數字引擎能夠對多個(gè)樣本進(jìn)行平均以提高整體有效位數。
除光學(xué)系統外，機械設計對整體性能也有重大影響。該第二代設備的光學(xué)元件選擇分立器件。這給光電二極管選擇和LED波長(cháng)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。第二代設備支持兩個(gè)綠光LED、一個(gè)紅光LED和一個(gè)紅外LED。對于在光學(xué)系統設計方面沒(méi)有太多經(jīng)驗的設計者，集成完整光學(xué)模塊可能更容易。
關(guān)于光電二極管的數量、大小及LED波長(cháng)選擇，存在一些不同的考慮。最新模塊的開(kāi)發(fā)基于以下考慮：即使安裝在塑料窗口后面，其也能表現出非常好的光學(xué)性能。第一代需要一個(gè)分離窗口來(lái)抑制內部光污染（可視為光串擾）。分離窗口有助于降低直接來(lái)自L(fǎng)ED而未穿透到主體中的光線(xiàn)所引起的直流失調。這種分離窗口不容易集成，在成本上也沒(méi)有吸引力。最新系列（比如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ）已大幅改進(jìn)，僅使用一個(gè)完整窗口，ILP效應幾乎已降至0。
兩個(gè)AD8233模擬前端支持生物電位測量。 AD8233 （參見(jiàn)圖3）是 ADI公司第二代單導聯(lián)ECG前端，嵌入了右腿驅動(dòng)(RLD)功能，設計用于在高噪聲環(huán)境中提取、放大、過(guò)濾微弱的生物電位信號。此器件的重點(diǎn)應用是可穿戴設備、便攜式家庭護理系統和訓練裝備。AD8233在交流耦合配置下工作。輸入級分為2個(gè)增益級。第一級的增益有限，后接一個(gè)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。AD8233的第二級結合了一個(gè)三階低通濾波器，它由一個(gè)二階Sallen Key濾波器和一個(gè)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(lái)自肌肉活動(dòng)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(chǎng)景。僅需要QRS檢測的普通心率監護儀，其工作頻率范圍遠小于需要更多信息（例如來(lái)自P波、QRS波群和T波的時(shí)序和幅度數據）的ECG監護儀。AD8233的目標頻段可通過(guò)外部電阻和電容配置。為提供靈活性，第二代可穿戴設備的ECG前端連接到嵌入式電極，配置為運動(dòng)帶寬，支持7 Hz至25 Hz的目標頻段。第二個(gè)AD8233可以結合外部電極工作，配置用來(lái)監測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設置。
根據精度要求，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數字化。用戶(hù)可以根據精度或電池壽命進(jìn)行權衡。
設備背面有兩個(gè)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(dòng)(EDA)測量。
EDA或皮膚電反應(GSR)與皮膚電導率有關(guān)，而內部或外部刺激引起的情緒變化會(huì )暫時(shí)改變皮膚電導率，例如壓力或癲癇會(huì )導致皮膚阻抗改變。第二代設備能夠檢測這種微小的電導率變化。系統利用交流激勵信號，其施加于兩個(gè)干電極上。也可以使用濕電極，效果會(huì )更好。不過(guò)，該設備僅利用兩個(gè)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(huì )使電極極化。接收信號鏈代表一個(gè)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(gè)運行在A(yíng)DuCM3029處理器上的離散傅里葉變換(DFT) 引擎，用以表示復阻抗。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建，完全采用分立器件。這一設計決策的主要原因是靈活性、精度和相當低的功耗。與此同時(shí)，ADI 公司正在開(kāi)發(fā)一款支持上述應用的新芯片。其精度非常高，而功耗極小。ADuCM350也支持類(lèi)似測量，但此芯片未針對功耗敏感型應用而優(yōu)化。
如果僅測量生命體征參數而不了解測量時(shí)身體處于何種狀態(tài)，那么可穿戴設備是無(wú)價(jià)值的。因此，運動(dòng)檢測和剖析很重要。像光學(xué)心率監測之類(lèi)的使用場(chǎng)景對運動(dòng)非常敏感，運動(dòng)可能完全破壞測量精度。有鑒于此，運動(dòng)也需要加以追蹤以補償偽像。運動(dòng)傳感器有助于追蹤運動(dòng)，如果需要，可以在最終讀數結果中補償運動(dòng)。 ADXL362 是目前功耗最低的運動(dòng)傳感器。它有一個(gè)3軸MEMS傳感器并集成12位ADC，可檢測X、Y和Z軸上的運動(dòng)。ADC的輸出數據速率(ODR)反映傳感器的功耗，在每軸400 Hz的全ODR時(shí)功耗為3 μA。圖4顯示了功耗與輸出數據速率的關(guān)系曲線(xiàn)。
圖4. ADXL362功耗與輸出數據速率的關(guān)系
此傳感器也可用作運動(dòng)激活開(kāi)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(dòng)。若無(wú)運動(dòng)，它將徑直回到睡眠狀態(tài)，再睡眠150 ms。當 g 力等于或高于設定的閾值水平且至少持續設定的最短時(shí)間時(shí)，說(shuō)明檢測到運動(dòng)，傳感器隨即產(chǎn)生中斷或使能電源開(kāi)關(guān)以開(kāi)啟應用。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年?？偨Y所有這些使用場(chǎng)景，可知運動(dòng)傳感器在可穿戴設備中必不可少。
溫度檢測是另一個(gè)重要參數。這正是第二代可穿戴設備嵌入兩個(gè)溫度傳感器的原因。腕帶設備利用NTC測量皮膚溫度和設備內部溫度，通過(guò)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理，16位ADC最終將信號轉換到數字域。ADI公司擁有類(lèi)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建成分立式的原因是有ADC等多個(gè)功能可供使用，設計者可以盡可能多地重用若干模塊以減少冗余性，并節省更多功耗。
ADuCM3029——集大成者
第二代設備運用兩個(gè)處理器。并不是非要不可，其目的是提供更大的靈活性。帶無(wú)線(xiàn)BLE的接口板有一個(gè)處理器，該器件也用在傳感器板上以便能自主運行。
設備中集成了超低功耗 ADuCM3029 以收集傳感器數據并運行算法。圖5為該處理器中的集成模塊概覽。
圖5. ADuCM3029集成模塊
內核是一個(gè)26 MHz Cortex-M3，具有豐富的外設組合、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，外設有效，測得的信號可通過(guò)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(gè)硬件加速器用于加密功能。
使用場(chǎng)景的選擇
第二代可穿戴設備有很多用途。傳感器可以集成到智能手表中，但包括精確心率監測和運動(dòng)/卡路里消耗測量在內的眾多功能對運動(dòng)手表也很有利。智能手表和運動(dòng)手表的主要區別在于對精度和電池壽命的取舍不同。
該設備可用來(lái)測量壓力或情感狀態(tài)。通常利用組合測量來(lái)獲得可靠的讀數，例如皮膚阻抗、心率變化和溫度的組合。
另一個(gè)有意義的使用情形是血壓監控。這是一個(gè)非常重要的參數，但大部分系統是基于護腕的，很難集成到可穿戴式連續監控系統中。某些技術(shù)無(wú)需護腕便可測量血壓。有一種技術(shù)利用脈搏波傳輸時(shí)間(PTT)，這要求ECG測量與PPG測量相結合。第二代可穿戴設備內部的傳感器支持此技術(shù)。
最后一個(gè)重要市場(chǎng)與老年護理和獨立生活有關(guān)。社會(huì )對能幫助護理人員遠程監測某些參數的系統有巨大需求。該可穿戴設備支持95%的功能需求。系統可監測多項生命體征參數。它不僅能識別人是在移動(dòng)還是在行走，而且能檢測人是否跌倒?？纱┐髟O計缺失的一塊是應急按鈕，但這只需將處理器上的一個(gè)I/O引腳連接到設備上方的一個(gè)開(kāi)關(guān)便能實(shí)現。
從原型到產(chǎn)品
第二代設備在一個(gè)小型可穿戴系統中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設計外，還考慮了許多機械設計方面。這使得該平臺對聚焦于半專(zhuān)業(yè)運動(dòng)市場(chǎng)、醫療市場(chǎng)以及智能建筑、獨立生活、老年護理系統相關(guān)企業(yè)的設計公司和設備制造商極具吸引力。所有參數可以同時(shí)測量，但算法需要助力應用以支持使用場(chǎng)景。測試和驗證算法之前無(wú)需構建硬件，開(kāi)發(fā)商和設備制造商可利用此設備快速開(kāi)始項目。第二代設備供貨數量有限，ADI公司非常有興趣與設計公司和算法提供商合作，開(kāi)發(fā)可出售給專(zhuān)業(yè)看護和醫療保險公司的先進(jìn)系統。
詳見(jiàn)
3.第二代可穿戴設備背后的傳感器.pdf
（來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Jan-Hein Broeders）
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