隨著互聯(lián)健康概念的盛行，醫(yī)療智能可穿戴設(shè)備市場逐漸擴大。 據(jù)Counterpoint Research調(diào)查顯示，疫情提高了消費者的健康意識，進一步推動了醫(yī)療智能可穿戴設(shè)備在市場上的普及，降幅持續(xù)加大。

此次，科技型經(jīng)銷商時健邀請了專業(yè)醫(yī)療智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域公司工程師馮工為大家分享實際案例。 該公司是時健的多年客戶，主要從事醫(yī)療診斷產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務。 馮鞏具有深厚的學術(shù)和實踐經(jīng)驗。

項目要求

●可穿戴產(chǎn)品尺寸較小，需要封裝小、元器件選型集成度高；

●超低幀率，充電電池供電；

●具有連續(xù)檢測心律功能；

●具有連續(xù)檢測血氧飽和度的功能；

●計步功能，可存儲1個月以上的數(shù)據(jù)量，斷電不丟失。

心律檢測解決方案

心律檢測可以基于心率測量。 人體腎臟的周期性跳動是由生物通訊信號準確控制的。 只要能夠捕捉到心率信號，就可以估算出心律，而心電測量需要獲取人體內(nèi)的多個電位，硬件實現(xiàn)復雜。 ，解決方案成本較高。 一種解決方案是共振檢查解決方案，它可以感知動脈脈搏的壓力變化，從而計算心律。 但該方案的實現(xiàn)需要將設(shè)備放置在人體心跳明顯的地方，這對于可穿戴設(shè)備的佩戴方式將是一個挑戰(zhàn)。 另一種解決方案是光電檢測。 基本原理是血液會反射綠光并吸收紅光。 當腎臟跳動時，流經(jīng)皮膚的血液就會減少，吸收的紅光也會減少； 在脈沖間隔期間，血管中的血流量會急劇減少并吸收紅光來減少。 當該裝置采用紅色LED并與光敏光電傳感器配合時，可以測量任意時間點流經(jīng)人體皮膚的血流量。 通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將每次血流的較低點作為一個周期，從而估算心律。 而且，該裝置可以設(shè)計為表帶，可以方便地戴在手指上。

基于光電心律檢測方案（俗稱光電體積描記法PPG），硬件上需要有光源驅(qū)動、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理等模塊。 通常光源驅(qū)動我們選擇恒流源（需要能夠微調(diào)電壓并以一定的頻率進行開關(guān)）； 光電轉(zhuǎn)換選用光電晶閘管，然后利用集電極進行電流電壓轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理； 較后利用A/D芯片實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換并送至MCU進行處理。 如果硬件方案采用分立元件，芯片數(shù)量較多且空間有限，所以較好采用集成元件。 ADI擁有多功能光電檢測后端芯片（型號：ADPD105），完全集成AFE、ADC、LED驅(qū)動器和定時核心，提供一流的環(huán)境光抑制性能，無需光晶閘管濾波器； 靈活的數(shù)字插座SPI和I2C可選； 低幀率，1.8V模擬/數(shù)字超低工作電源，待機電壓僅0.3μA，適合電池供電設(shè)備； 靈活的采樣頻率范圍：0.122Hz~3820Hz； 多達3個LED恒流源，每路峰值電壓可達370mA； 采用WLCSP芯片級封裝，體積極小，適合空間受限的應用。 其內(nèi)部功能框圖如圖1所示。

圖1

血氧飽和度檢測方案

光電體積描記法（PPG）不僅可以用于心律檢查，還可以通過一定的算法處理來檢測血氧，為無創(chuàng)血氧檢測提供了很好的解決方案。

原理：氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）對波長600-1000nm的光有一定的吸收特性。 Hb對600～800nm的光有較高的吸收系數(shù)，HbO2對800～1000nm的光有較高的吸收系數(shù)。 因此，可以借助綠光（600~800nm）和近紅外（IR）（800~1000nm）光測量HbO2和Hb的PPG信號，然后通過程序處理計算出相應的比值，因此從而獲得血氧值。

借助ADPD105，兩路LED恒流源分別驅(qū)動綠色LED和近紅外LED，另一路恒流源驅(qū)動紅色LED進行心律檢查。 可以使用相同的光接收器，分別進行時分復用。 采集心律信號和血氧信號，用較少的部件高效完成數(shù)據(jù)采集，整體成本較低。 另外，較近ADI的新產(chǎn)品ADPD410410X是ADPD系列中比較新的產(chǎn)品。 具有8個LED驅(qū)動光路和8個數(shù)據(jù)采集通道，具有更高的集成度和采樣精度。 它還支持 PPG、ECG 和 EDA。 檢測。 可以作為本案例的功能擴展方案。

計步功能解決方案

目前應用較廣泛的計步解決方案是三軸加速度傳感器，通過算法識別行走過程中的三軸動態(tài)數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)計步功能。 該方案基于可穿戴設(shè)備，因此幀率和芯片體積成為重要考慮因素。 ADXL363是一款超低幀率3傳感器組合產(chǎn)品，由3軸MEMS加速度計、溫度傳感器和用于外部信號同步轉(zhuǎn)換的ADC輸入組成。 整個系統(tǒng)在輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz時幀率高于2μA，運動觸發(fā)喚醒模式下幀率為270nA； 1.6~3.5V工作電源范圍，方便兼容其他器件的供電； ADXL363還提供對內(nèi)部ADC的訪問，可以對外部模擬輸入進行同步轉(zhuǎn)換。 緊湊的LGA封裝非常適合可穿戴設(shè)備應用。 其內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

圖2

單片機選型

該解決方案的 MCU 選擇需要高性能和低幀率。 Analog Devices 的 ADuCM3029 具有超低幀速率功能：活動模式（完全開啟模式）：<30μA/MHz（典型值）、睡眠模式（具有 SRAM 保留）：

另外，高性能ADuCM4050可作為低端升級版本。 它在睡眠和關(guān)機模式下具有更好的性能和更低的幀速率。 在：活動模式（完全開啟模式）：<41μA/MHz（典型值），睡眠模式（具有 SRAM 保持）：

電源計劃

可穿戴設(shè)備需要可充電電源，通常是鋰電池，因此需要鋰電池管理芯片。 LTC406540??65L 是一款完整的單節(jié)鋰電池恒流/恒壓線性充電器。 由于其外觀小巧（DFN封裝2mm*2mm），可以準確調(diào)節(jié)低充電電壓，因此特別適合低容量鋰電池； 并且可以通過USB標準夾鉗拆卸來工作； 它還具有強大的充電異常保護功能：手動充電、低電量調(diào)整（涓流充電）、軟器件激活功能（限制浪涌電壓）。

規(guī)劃中，MCU、加速度傳感器和模擬后端芯片均可工作在1.8V范圍內(nèi)。 對于3.7V鋰電池來說，還需要LDO來降脂。 因為有模擬電路，所以需要選擇噪聲盡可能低的LDO。 LT3042 具有超低噪聲 0.8μVRMS (10Hz~100kHz)、超高電源抑制比 (較低 79dB@1MHz)； 超低工作壓降（350mV）； 輸出可調(diào)（0~15V）； 緊湊的DFN封裝（3mm*3mm）。