作者：Majeed Ahmad，特約作家

可穿戴技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備之間的協(xié)同作用是顯而易見(jiàn)的，正如 Apple Watch Series 4 所證明的那樣，它獲得了食品和藥物管理局 (FDA) 的各種心臟監(jiān)測(cè)功能的許可。類(lèi)似的故事正在配備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 功能的可聽(tīng)設(shè)計(jì)中形成。

在此應(yīng)用中，微型傳感器與有線或無(wú)線通信一起，通過(guò)記錄心理因素和其他跡象來(lái)識(shí)別異常和意外情況。然而，高度小型化的醫(yī)療可穿戴設(shè)備需要顯著增強(qiáng)傳感能力，因?yàn)獒t(yī)療保健和健身監(jiān)測(cè)器要求在測(cè)量人體生物特征（如體溫和心率）時(shí)更準(zhǔn)確。

個(gè)人佩戴以記錄健康和健身信息的可穿戴醫(yī)療傳感器可以監(jiān)測(cè)身體信號(hào)，例如血壓、心跳和其他代謝活動(dòng)。這些可穿戴傳感器提供有關(guān)身體生物和心理變化的重要信息，同時(shí)監(jiān)測(cè)心血管、神經(jīng)和肺部疾病（例如哮喘、高血壓等）的持續(xù)治療。

圖 1：醫(yī)療級(jí)傳感器在可穿戴設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)趧?chuàng)建高級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要作用。（圖片：ams）

本文概述了可穿戴醫(yī)療保健設(shè)備開(kāi)發(fā)人員在選擇微型傳感器并將其集成到便攜式設(shè)計(jì)中時(shí)的三個(gè)主要設(shè)計(jì)考慮因素。該過(guò)程從傳感器設(shè)備的靈敏度和準(zhǔn)確性開(kāi)始。

傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性

雖然準(zhǔn)確性是整個(gè)傳感器的首要考慮因素，但它提出了一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備體積小且佩戴在身體上。他們可能會(huì)遭受熱自熱和持續(xù)的身體接觸，這會(huì)影響測(cè)量生命體征的準(zhǔn)確性，例如溫度、心率和血氧飽和度 (SpO 2 )。

ams的AS7026?光學(xué)傳感器（圖 1）使用復(fù)雜的算法來(lái)確保健身追蹤器和智能手表中的心率、心率變異性、心電圖 (ECG) 和血壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。

傳感器 IC 制造商正在努力應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。例如，羅姆半導(dǎo)體用于心率監(jiān)測(cè)的BH1790GLC?光學(xué)傳感器（針對(duì)運(yùn)動(dòng)手環(huán)和智能手表等可穿戴設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化）通過(guò)允許在低 LED 亮度下也能以高精度檢測(cè)脈搏波來(lái)提高靈敏度。

此外，Maxim Integrated 的MAX30208?數(shù)字溫度傳感器消除了熱自發(fā)熱，同時(shí)在 30°C 至 50°C 范圍內(nèi)提供 ±0.1°C 的精度。臨床級(jí)溫度傳感器可消除環(huán)境光以獲得更高的精度，并采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法來(lái)提高測(cè)量精度。

可穿戴傳感器的電源難題

由于電池容量有限，將心率監(jiān)測(cè)納入智能手表和運(yùn)動(dòng)表帶一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。換句話(huà)說(shuō)，用于心率監(jiān)測(cè)的光學(xué)傳感器需要顯著降低功耗，以延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。

以 Maxim Integrated 針對(duì)可聽(tīng)設(shè)備和其他可穿戴應(yīng)用的MAXM86161?入耳式心率監(jiān)測(cè)器和脈搏血氧儀為例。該傳感器集成了模擬前端 (AFE)，無(wú)需單獨(dú)的芯片并將其連接到光學(xué)模塊。Maxim Integrated 聲稱(chēng)，MAXM86161 傳感器的功耗比最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手低約 35%，工作模式下的功耗低于 10 μA，關(guān)斷模式下的功耗為 1.6 μA。

在這里，重要的是要注意，在服務(wù)于醫(yī)療可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的傳感器方面，節(jié)能和小型化是齊頭并進(jìn)的。MAXM86161 入耳式心率監(jiān)測(cè)器采用 OLGA 封裝，尺寸為 2.9 x 4.3 x 1.4 mm，包括三個(gè) LED：紅色和紅外線用于 SpO 2?測(cè)量，綠色用于心率。

更小、更輕、更不顯眼的生物電位 AFE 芯片可用于心臟監(jiān)測(cè)設(shè)備，以確保可穿戴設(shè)備不會(huì)讓患者佩戴不愉快，并提供更長(zhǎng)的電池壽命。Analog Devices Inc. (ADI)的AD8233?芯片設(shè)計(jì)為 ECG 前端，具有 50 μA 的典型靜態(tài)電流，可將功耗降至微安級(jí)。

用于醫(yī)療可穿戴設(shè)備的傳感器平臺(tái)

與其他便攜式設(shè)計(jì)一樣，提供模塊化傳感器平臺(tái)以促進(jìn)醫(yī)療可穿戴設(shè)備的開(kāi)箱即用解決方案。例如，iProtoXi 的Aistin Blue開(kāi)發(fā)套件隨附用于健身和活動(dòng)跟蹤的應(yīng)用程序示例。它采用了 Kionix 的最新傳感器，現(xiàn)在是 Rohm Semiconductor 的一部分。該套件包括可簡(jiǎn)化傳感器配置和數(shù)據(jù)采集的Kionix Windows 傳感器評(píng)估軟件。

另一個(gè)例子是 Maxim Integrated 的MAXREFDES101?健康傳感器平臺(tái) 2.0（圖 2），它有助于快速原型設(shè)計(jì)、評(píng)估和開(kāi)發(fā)，以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)體溫、心率和 ECG。它包括一個(gè)手表外殼，里面裝有顯示器、電池、微型板和傳感器板。

圖 2：用于腕戴式設(shè)備的傳感器封裝平臺(tái)有助于測(cè)量心電圖、心率和溫度。（圖片：美信集成）

傳感器板包括一個(gè)光學(xué)傳感器、一個(gè)集成的生物電勢(shì)和生物阻抗 AFE、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)生物識(shí)別傳感器集線器。在這里，MAX32664生物識(shí)別傳感器集線器通過(guò)提供嵌入式固件和算法以及實(shí)現(xiàn)與光學(xué)傳感器的無(wú)縫通信，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程。

Health Sensor Platform 2.0 支持可穿戴設(shè)計(jì)，從運(yùn)動(dòng)手表到心電監(jiān)護(hù)儀，再到健身追蹤器。它還允許開(kāi)發(fā)人員對(duì)板載算法進(jìn)行自己的分析和評(píng)估。

傳感器算法的作用

智能手表、健身追蹤器和其他醫(yī)療可穿戴設(shè)備中的生物傳感器必須高度準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)各種健康參數(shù)。最常見(jiàn)的生物傳感器類(lèi)型之一，光學(xué)傳感器，就是一個(gè)很好的例子。它與相干和非相干光源相互作用，這些光源可以被吸收、反射、散射或分散，從而改變傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性。

因此，光學(xué)傳感器與生命體征監(jiān)測(cè)算法集成在一起，確保充分解決環(huán)境光消除和其他運(yùn)動(dòng)消除挑戰(zhàn)。其次，如上所述，醫(yī)療傳感器應(yīng)該提供非常小的外形尺寸，以便它們可以很好地融入微型可穿戴設(shè)備并消耗最少的功率。

最后，參考設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)套件的可用性可以為可穿戴設(shè)計(jì)工程師節(jié)省數(shù)月的開(kāi)發(fā)工作，同時(shí)提供用于簡(jiǎn)單集成新傳感器的先進(jìn)工具。隨著可穿戴傳感器采用先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，這一切都在發(fā)生。

審核編輯 黃昊宇