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(chǎng)逐漸擴(kuò)大。 據(jù)Counterpoint Research調(diào)查顯示，疫情提高了消費(fèi)者的健康意識(shí)，進(jìn)一步推動(dòng)了醫(yī)療智能可穿戴設(shè)備在市場(chǎng)上的普及，降幅持續(xù)加大。

此次，科技型經(jīng)銷商時(shí)健邀請(qǐng)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(shí)際案例。 該公司是時(shí)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(wù)。 馮鞏具有深厚的學(xué)術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

項(xiàng)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(cè)心律功能；

●具有連續(xù)檢測(cè)血氧飽和度的功能；

●計(jì)步功能，可存儲(chǔ)1個(gè)月以上的數(shù)據(jù)量，斷電不丟失。

心律檢測(cè)解決方案

心律檢測(cè)可以基于心率測(cè)量。 人體腎臟的周期性跳動(dòng)是由生物通訊信號(hào)準(zhǔn)確控制的。 只要能夠捕捉到心率信號(hào)，就可以估算出心律，而心電測(cè)量需要獲取人體內(nèi)的多個(gè)電位，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)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?jiǎng)用}脈搏的壓力變化，從而計(jì)算心律。 但該方案的實(shí)現(xiàn)需要將設(shè)備放置在人體心跳明顯的地方，這對(duì)于可穿戴設(shè)備的佩戴方式將是一個(gè)挑戰(zhàn)。 另一種解決方案是光電檢測(cè)。 基本原理是血液會(huì)反射綠光并吸收紅光。 當(dāng)腎臟跳動(dòng)時(shí)，流經(jīng)皮膚的血液就會(huì)減少，吸收的紅光也會(huì)減少； 在脈沖間隔期間，血管中的血流量會(huì)急劇減少并吸收紅光來(lái)減少。 當(dāng)該裝置采用紅色LED并與光敏光電傳感器配合時(shí)，可以測(cè)量任意時(shí)間點(diǎn)流經(jīng)人體皮膚的血流量。 通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將每次血流的較低點(diǎn)作為一個(gè)周期，從而估算心律。 而且，該裝置可以設(shè)計(jì)為表帶，可以方便地戴在手指上。

基于光電心律檢測(cè)方案（俗稱光電體積描記法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。 通常光源驅(qū)動(dòng)我們選擇恒流源（需要能夠微調(diào)電壓并以一定的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)）； 光電轉(zhuǎn)換選用光電晶閘管，然后利用集電極進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理； 較后利用A/D芯片實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換并送至MCU進(jìn)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(cè)后端芯片（型號(hào)：ADPD105），完全集成AFE、ADC、LED驅(qū)動(dòng)器和定時(shí)核心，提供一流的環(huán)境光抑制性能，無(wú)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(jī)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(dá)3個(gè)LED恒流源，每路峰值電壓可達(dá)370mA； 采用WLCSP芯片級(jí)封裝，體積極小，適合空間受限的應(yīng)用。 其內(nèi)部功能框圖如圖1所示。

圖1

血氧飽和度檢測(cè)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(guò)一定的算法處理來(lái)檢測(cè)血氧，為無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)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(duì)波長(zhǎng)600-1000nm的光有一定的吸收特性。 Hb對(duì)600～800nm的光有較高的吸收系數(shù)，HbO2對(duì)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(cè)量HbO2和Hb的PPG信號(hào)，然后通過(guò)程序處理計(jì)算出相應(yīng)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(dòng)綠色LED和近紅外LED，另一路恒流源驅(qū)動(dòng)紅色LED進(jìn)行心律檢查。 可以使用相同的光接收器，分別進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。 采集心律信號(hào)和血氧信號(hào)，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(gè)LED驅(qū)動(dòng)光路和8個(gè)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(cè)。 可以作為本案例的功能擴(kuò)展方案。

計(jì)步功能解決方案

目前應(yīng)用較廣泛的計(jì)步解決方案是三軸加速度傳感器，通過(guò)算法識(shí)別行走過(guò)程中的三軸動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)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(jì)、溫度傳感器和用于外部信號(hào)同步轉(zhuǎn)換的ADC輸入組成。 整個(gè)系統(tǒng)在輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz時(shí)幀率高于2μA，運(yùn)動(dòng)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(duì)內(nèi)部ADC的訪問(wèn)，可以對(duì)外部模擬輸入進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換。 緊湊的LGA封裝非常適合可穿戴設(shè)備應(yīng)用。 其內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

圖2

單片機(jī)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(dòng)模式（完全開(kāi)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(jí)版本。 它在睡眠和關(guān)機(jī)模式下具有更好的性能和更低的幀速率。 在：活動(dòng)模式（完全開(kāi)啟模式）：<41μA/MHz（典型值），睡眠模式（具有 SRAM 保持）：

電源計(jì)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(zhǔn)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(guò)USB標(biāo)準(zhǔn)夾鉗拆卸來(lái)工作； 它還具有強(qiáng)大的充電異常保護(hù)功能：手動(dòng)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(duì)于3.7V鋰電池來(lái)說(shuō)，還需要LDO來(lái)降脂。 因?yàn)橛心M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）。