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可穿戴设备向医疗级迈进,对元器件提出哪些新要求

发布时间:2022-07-05 来源:贸泽电子 责任编辑:wenwei

【导读】从手环、智能手表到TWS耳机,可穿戴设备市场总有爆款出现,从而市场热度持续高涨。目前,可穿戴设备的年出货量已超过个人电脑,成为元器件厂商必须要重视的应用方向之一,其中医疗健康更已成为可穿戴产品的主打功能,据市场研究机构Yole的统计数字显示,2019年全球可穿戴医疗健康产品出货量达到3.47亿件,该机构预测,到2025年可穿戴医疗健康产品出货量有望超过7.5亿件,比2019年翻倍。


进入2022年,传感器与芯片的小型化与多功能集成,将进一步增加可穿戴设备的便携性,或改善可穿戴设备的持续续航时间;智能可穿戴设备与智能家电等手机之外其他设备的互动性将进一步加强;操控方式将更加多元化,手势操控功能等将被智能可穿戴设备采用;独立通信功能将逐渐成为智能手表标配。总之,可穿戴设备将向着功能更丰富、形态更多样、指标更精准、续航时间更长等方向发展,在社交网络、医疗健康、导航、商务和新媒体等众多领域发挥更大的作用。


可穿戴设备数据可被医学临床接受


当前,可穿戴设备的运动记录、健身指导等运动健康功能已经被普遍接受,例如常见的手环与手表产品,都具备测量心率、步频等指标的功能,但这些数据通常不能用于临床。随着技术进步,更多医疗级监测功能正在被加入到可穿戴设备中,例如对血压、血氧和心电图的测量,这些医疗级功能的实现,标志着可穿戴设备开始为医生临床诊疗提供可参考的数据来源。


自2019年新冠疫情爆发以来,全球各地先后出现医疗资源紧张的情况,去医院的流程也变得更加繁琐,因而居家医疗监护设备受到市场欢迎,利用可穿戴医护设备,患者可以监控自己的体温、血氧、心率和呼吸,并可将数据定期传送给指定医院,从而完成预测筛查、发病检测、在家监护等功能,为患者提供了省时、便捷又省钱的医疗监测方案。智能穿戴设备的特点是可检测的数据越多越能为用户带来价值,所以即便将来恢复正常生活秩序,可穿戴医疗设备也将发挥越来越重要的作用。


可穿戴设备可随身携带的特点有利于对无需卧床的患者身体状况进行长期监测,这对慢性阻塞性肺疾病、房颤、阻塞性睡眠窒息症等有一定致命风险的慢性病管理大有帮助。


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图1:远程病人监护应用案例

(图源:ADI)


房颤筛查(AFib)就是可穿戴心电设备医疗应用的一个典型案例。心房颤动(简称房颤)是极为常见的持续性心律失常,房颤时心房以远高于正常心跳的节奏不规则跳动,心房失去了协调有效的收缩和舒张,易引发心力衰竭、脑梗塞,甚至会导致猝死,一旦患上房颤,中风的风险会比正常人高五倍。但如果能够早发现、早治疗,可以很好地控制房颤影响,甚至痊愈。但发现房颤的主要困难是部分患者在房颤未发生的时候没有任何症状,这部分患者占比约一半,针对房颤无症状人群,广泛筛查是唯一可信赖的方法,现在心电贴等消费级心电设备就可以做早期房颤筛查,检测结果也得到了医学临床的认可。


可穿戴设备的血氧测试结果也逐渐在肺病、呼吸病医学临床诊疗中采纳,血氧饱和度(SpO2)过低,往往意味着有心力衰竭、慢性肺病、睡眠暂停症等疾病,尤其新冠疫情爆发以后,医疗机构也建议通过监测患者血氧饱和度来判断病情严重程度。


在糖尿病管理方面,患者可通过连续血糖监测仪给出的数据,更有效地管理自己的健康状况,而根据连续的测量数据,医生就能给患者提出更准确、更有效的治疗方案。


医疗级指标与小体积兼得


要满足医疗级应用,对可穿戴设备中的关键元器件就提出了新要求:既要适应传统可穿戴设备“轻薄短小”的尺寸要求,又要符合医疗级应用高精度、高可靠的指标要求,还要考虑到低功耗、续航力,可长时间工作。


医疗级应用首先要有医疗级精度,以体温检测为例,临床级精度要达到体温范围内±0.1℃的精度。ADI公司的MAX30208数字温度传感器就能满足临床体温检测要求,该芯片在+30℃至+50℃范围内具有±0.1℃的精度,在0℃至+70℃范围内具有±0.15℃ 的精度。由于元器件工作时本身会发热,因而排除元器件热干扰就是临床级测温设备需要考虑的因素。MAX30208本身工作电流很低,仅有67µA,待机时消耗的电流为0.5 µA,低工作电流保证了芯片本身散发出的热量较低。此外,芯片热量由封装底部引脚散发出来,所以该芯片将温度传感器放置于封装顶部,远离芯片引脚,从而极大地降低了元器件的热干扰。对这款器件感兴趣的读者,可以在贸泽官网购买MAX30208评估系统,来实际体验一下。


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图2:ADI MAX30208评估系统

(图源:贸泽电子)


MAX30208属于ADI公司专门为医疗应用开发的第三代健康传感器平台(Health Sensor Platform 3.0,简称HSP 3.0)中的产品,HSP 3.0还包含目前贸泽官网在售的模拟前端芯片MAX86176。MAX86176支持心电图与血氧饱和度测量,精度达到临床级水平。


在医院测量心电图(ECG)时,通常采用湿电极采集心电信号,湿电极在使用过程中需要涂上膏状导电胶,因而得名湿电极,由于导电胶很容易干掉而影响测量结果,因而该方法不适合非专业人士操作,也不利于心电信号长期监测。干电极的出现让可穿戴设备实现心电测量功能成为可能,但在干电极采集法中,皮肤与电极之间的接触导电性比湿电极低,且干电极对运动伪影更敏感,易导致读数不精确。MAX86176的ECG通道符合移动心电图设备国际标准IEC 60601-2-47要求,该通道内置高精度ADC,采用全差分输入结构,在电力线频率下共模抑制比超过110dB,完全具备支持干电极ECG应用的能力。现在,该芯片在单导联监护仪、单导联无线贴片和胸带心率监测仪中已得到广泛应用。


MAX86176利用光电容积脉搏波法 (PPG) 来测量血氧,提供110dB信噪比 (SNR),从而达到医疗级血氧饱和度检测能力。对于光学和生物阻抗测量,分别需要发光二极管驱动器发光和向体内激励电流,在许多光学系统中,需使用不止一种波长,所以多驱动能力就很重要,MAX86176支持多达6颗LED和4个光敏二极管输入,因而能够适应不同测量场景的要求。MAX86176的PPG通道可支持检测心率、血氧饱和度 (SpO2)、肌肉和组织氧饱和度 (SmO2和StO2)、身体含水量等参数,具备临床级精度。


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图3:MAX86176亮点

(图源:ADI)


可穿戴设备对元器件体积要求很高,所以MAX86176这种多合一的高集成度芯片很受欢迎,MAX86176的下一代MAX86178就集成了三个测量系统,即光学、心电和生物阻抗,支持四种生命体征测量,即心电图、血氧饱和度、心率和呼吸率,进一步为多功能可穿戴设备的开发提供了技术基础。


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图4:ADI MAX86176 PPG和ECG模拟前端

(图源:贸泽电子)


贸泽官网在售的ADPD4000,则是ADI另一个可穿戴模拟前端“多面手”产品系列,该产品有8个输入通道,具有多种工作模式,可支持PPG、ECG、皮肤电活动(EDA)、阻抗和温度测量功能。


据了解,以ADI为代表的医疗电子芯片厂商,在提高集成度、增加功能和提升测量精度方面还在不断精进,以期为可穿戴用户带来更多更好的医疗级功能体验。


续航能力


如前所述,便携性是可穿戴产品的突出优势之一,但也为可穿戴产品开发带来很多限制,要佩戴舒适,就要控制重量和体积,因而可穿戴设备的电池都比较小,要在极有限的电池容量下,满足医疗健康等应用的正常使用强度要求,就需要从降低功耗和电池管理两方面努力。


在低功耗设计方面,ADI的HSP 3.0平台给了很好的示范作用,无论是MAX30208数字温度传感器,还是MAX86176模拟前端芯片,都充分考虑应用场景,极力控制工作电流与待机电流,与MAX30208一样,MAX86176的待机电流也仅有0.5μA。


该平台推荐的两款超低功耗MCU,从系统设计角度充分考虑了设备的低功耗特性。MAX32670专用于传感器管理,支持脉搏率、血氧饱和度、心率、呼吸率、睡眠质量监测和压力监测算法实现。MAX32670可配置为传感器集中器(支持硬件和算法)或算法集中器(支持多种算法),无缝支持客户所需的传感器功能,包括管理MAX86176 PPG和ECG传感器AFE,并为外部提供原始数据或处理过的数据。MAX32670在备份模式下全存储空间保持功耗为2.6µA(供电电压为1.8V),在仅RTC工作时功耗则只有350nA。


贸泽电子在售的另一款MCU-MAX32666则用于通信和主程序,该芯片支持低功耗蓝牙(BLE)功能,包含两个Arm®Cortex®-M4F核和附加SmartDMA,后者允许独立运行BLE栈,使两个主核用于运行主要任务。此外,该微控制器集成完整的安全套件和存储器纠错码(ECC),大大提高了系统可靠性。MAX32666提供动态电压调节,极大地降低处理器核的运行功耗,支持从缓存执行程序,功耗可低至27.3μA/MHz @ 3.3V。此外,该器件还具有多种关断模式,可有效延长电池工作寿命,最低功耗模式下仅消耗1.2μA @ 3.3V。


更重要的是,在HSP 3.0中,ADI还为可穿戴设备提供专用电源管理芯片MAX20360,这是一颗高度集成的电池和电源管理芯片,同样在贸泽电子有售。这颗芯片专门对医疗健康可穿戴应用做了优化,芯片内集成了高精度ModelGauge™ m5 EZ电量计、灵敏的触觉驱动器,以及独特的低噪声升/降压转换器,极大地提高了信噪比,降低光学生物检测所需功耗。


另一款贸泽电子在售的单输入多输出电源管理MAX77659,更是针对多功能可穿戴产品做了优化。该器件只需要一个电感器,就可提供一个充电电压和三个可独立编程的电源电压,从而极大地减小整体解决方案尺寸,多功能可穿戴设备的电源模块物料用量最多可减少60%,设备尺寸可减少50%。


总结


医疗级可穿戴技术进步提升了可穿戴设备测量结果的精度与可靠性,并使得可穿戴设备在集成更多功能的同时,兼具了功耗、尺寸和重量等方面的考量,从而保证了可穿戴设备上的医疗健康功能真正满足临床应用要求。可穿戴设备比任何其他设备都更贴近人体,所以除了电参数,可穿戴设备在开发时还要考虑安全性和人体工学,需要从电子、材料与工业设计等多个领域来应对贴身要求带来的各种技术挑战,从而做到安全、防水防尘、佩戴舒适和耐用。


可以预期,随着可穿戴设备医疗功能的普及,可穿戴设备的价值将进一步得到发挥,而医疗功能的广泛应用也能更好地促进相关元器件技术的发展。


来源:贸泽电子



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