解構ADI新一代VSM芯片，看“4合1”的AFE如何重新定義可穿戴監(jiān)測標準

“炸雞配參茶，精釀加枸杞，熬夜敷面膜，蹦迪戴護膝……”作為當代年輕人朋克養(yǎng)生的現(xiàn)狀，調侃是真的，惜命也是真的。在放肆與克制之間反復橫跳，高壓社會下的年輕人們沒能避免失眠、肥胖、暴躁等逐漸帶來的“疑難雜癥”，倒是讓大眾對大健康的關注度提升到了前所未有的高度。再有我國素來養(yǎng)生觀念的加成下，無論是生活方式、情緒健康、甚至細化到某一具體的小毛病，人們都渴望找到與之對應的解決方式，精準監(jiān)護與科技養(yǎng)生成為了大健康的“主旋律”，同樣也錨定了作為其關鍵載體的智能可穿戴設備的未來發(fā)展方向。

“目前，可穿戴設備為了更好地支持各項生命體征監(jiān)測，實現(xiàn)最大程度的人群覆蓋度和準確度，正在向更高性能的方向發(fā)起沖擊?！?a href="http://ttokpm.com/tags/adi/" target="_blank">ADI中國產品事業(yè)部高級市場應用經(jīng)理何源在最近的一次采訪中如此表示，并且ADI最新發(fā)布的可穿戴健康領域的產品——多合一的健康傳感器模擬前端芯片ADPD7000就很好地為他的觀點做了背書。作為VSM的最新款產品，ADPD7000系列專為測量各種生命體征信號而設計，適用于可穿戴式VSM設備。在上一代的基礎上，ADPD7000新增皮膚電活動(GSR)測量功能，再集光電體積脈搏波(PPG)、心電圖(ECG)、身體阻抗分析(BIA)四合一，實現(xiàn)了更準確的血氧、心率、心電、體脂甚至是情緒反應等人體生理特征指標的監(jiān)測。

慢病年輕化下的健康焦慮

可穿戴撕去“雞肋”標簽走向剛需

“30歲的人，60歲的病”正在部分成為社會現(xiàn)實。有數(shù)據(jù)顯示，目前我國慢病人群數(shù)量已超4億人，而15歲以上人群發(fā)病率超34%，尤其是糖尿病、高血壓、心臟病......這些曾經(jīng)的“老年病”，越來越頻繁地發(fā)生在年輕人身上?！坝捎诖蟛糠致圆』蚨嗷蛏俣加幸恍┌Y狀會提前顯現(xiàn)，我們最好能對這些亞健康狀態(tài)進行監(jiān)測，提早發(fā)現(xiàn)，及時治療，這也是可穿戴醫(yī)療設備存在的意義?！焙卧幢硎尽?/strong>

憑借實時監(jiān)測提前亞健康預警，在如今養(yǎng)生年輕化和社會老齡化的階段，可穿戴醫(yī)療設備市場規(guī)模不斷擴大。根據(jù)睿略市場調研的數(shù)據(jù)顯示，2022年全球可穿戴醫(yī)療設備市場規(guī)模達774.83億元，預計到2028年將達到1871.3億元，年均復合增長率預估為16.09%。然而，可穿戴設備性能良莠不齊，其測量精度一直被業(yè)界所詬病“助力不成，反而引發(fā)數(shù)據(jù)焦慮”。直到最近兩年，一些可穿戴產品陸續(xù)獲批為二類器械，消費者逐漸開始改變認知——可穿戴設備發(fā)展方向有望為用戶提供醫(yī)療參考性。

在該過程中存在不小的挑戰(zhàn)，例如相較院內測量的理想環(huán)境，可穿戴設備還需考慮諸多額外因素，例如外觀設計以及與人體的接觸面積、位置和材料等限制。此外，用戶的膚色和毛發(fā)差異、環(huán)境也會對測量結果產生影響，其中典型就是心率、血氧等測量時對光信號的捕捉，膚色太黑導致反射光太微弱、體毛太長導致“動態(tài)噪聲”等等，甚至傷疤、紋身等因素都會對監(jiān)測造成挑戰(zhàn)。

“可穿戴設備必須要能與我們所處的環(huán)境與身體狀態(tài)保持協(xié)調?！焙卧粗赋觯凹词弓h(huán)境惡劣，我們都有辦法去達成醫(yī)療級甚至更高的性能。當然，客戶要打造最終的產品，就不僅僅需要滿足性能要求，還必須在尺寸、功耗和成本等很多其他維度上做平衡取舍?！?/p>

“醫(yī)療級只是及格線”

極限設計思維下的方案功能與性能的突破之路

事實上，可穿戴產品在硬件設計上的要求通常比醫(yī)療設備還要高，例如動態(tài)范圍更大，要在電極面積很小、跟院內監(jiān)測環(huán)境沒法比的情況下保持監(jiān)測精準，這就要求可穿戴設備里很多電路要有很精妙的設計。為了實現(xiàn)更高效的光電路徑配合，ADPD7000支持的通道數(shù)比上一代ADPD6000的LED通道數(shù)多了一倍，更多的LED意味著更多的測試點，提升數(shù)據(jù)的準確度。另一方面，多LED意味著可接收多個波長，能夠提供更全面的測量功能。據(jù)何源透露：“未來該產品系列支持的通道數(shù)會更多，但目前的8路在性價比和功能性上擁有非常好的平衡。

”

此外，ADPD7000還將輸入阻抗提升到20G歐，意味著ADPD7000有了更高的動態(tài)范圍，即使在遇到低溫、干皮膚等極端監(jiān)測環(huán)境時腕上覆蓋度和準確度都可以顯著加強?！案善つw的情況下，很容易測量不到ECG，這也是為什么在醫(yī)院測ECG要用很大的電極涂抹導電膏。但這對可穿戴設備是很難實現(xiàn)的，所以從這個角度看，可穿戴的設計要求比對醫(yī)療設備的要求還要高?！焙卧唇忉尩?。

皮膚的干燥程度同時也會影響在BIA（生物電阻抗分析）時兩對測試線的輸入阻抗不均衡，不均衡則會帶來誤差。為了克服這個問題，ADPD7000系列通過精妙的軟硬件配合，將其寄生和非對稱影響有效降低，以得到更準確的測量結果。在可穿戴設備上，這一點是非常有競爭力的。

“當市場同質化很嚴重的時候，真正能給用戶帶來價值的產品是可貴的。但市場趨勢一定是要往有價值的方向去走，所以更高的性能、更多功能的有效集成必然是有價值的?！泵鎸π袠I(yè)挑戰(zhàn)，何源表示ADI在設計很多方案的時候都有考慮到極端情況，并在最大程度上實現(xiàn)性能的保障。

GSR挑戰(zhàn)主觀情緒可靠監(jiān)測

從萬元專業(yè)設備到可穿戴普及即將成真

正如叔本華所說，人的思維意識是最大的監(jiān)獄。慢病年輕化的因素有很多，但情緒壓力一定是主因之一。世衛(wèi)組織也曾調查顯示，包含心肌炎和冠心病大概有200多種疾病的背后都有不良情緒的因素?！皦毫偸前殡S著焦慮甚至發(fā)展為抑郁，而當它找上你時，整個過程都可能無聲無息?！焙卧刺貏e提到，“這樣的情緒波動和壓力變化如何能通過可穿戴設備持續(xù)地捕捉到，對此ADPD7000新增了一項GSR（皮膚電反應）功能?！?/p>

事實上，GSR并非新技術，早在多年前就應用在了測謊儀上。作為一種生物反饋方式，GSR可以檢測人體的情緒變化，反映人在身心上的反應。其檢測的原理是當人體受到外界刺激時，皮膚會產生電位變化，這種電位變化被稱為皮膚電反應，也被稱為皮膚電活性（EDA），或者皮膚電導（SC）。當人體的情緒發(fā)生變化時，可以通過觀察GSR數(shù)據(jù)來統(tǒng)計量化。結合目前高壓環(huán)境下越來越多人由于情緒導致的心理健康問題，該功能在可穿戴設備上的監(jiān)測實現(xiàn)是讓人期待的。據(jù)何源介紹，ADPD7000的GSR測量通道復用了ECG和BIA的電路，可以與心率、心率變異性等數(shù)據(jù)進行結合分析，利用傳感器融合技術，實現(xiàn)對用戶的精神狀態(tài)實現(xiàn)更精細化的評價。

不同于有客觀標準的體脂和心率測量，情緒和壓力類主觀意識上的測量指標更具挑戰(zhàn)性，ADPD7000如何在方寸的可穿戴產品上實現(xiàn)準確監(jiān)測？“首先，該類測試已經(jīng)有長時間的積累并且具備成體系的標準，在很多專業(yè)領域已有應用，ADI一直有參與其中；其次，ADI在該領域處于技術前沿，甚至在可穿戴設備上，有些指標可做到接近上萬元專業(yè)設備的水平?！焙卧磸娬{，“相較于之前的產品，ADPD7000的GSR具有更高的動態(tài)范圍、測量范圍和精度。此外，在測量信號不好時能夠自動切換激勵頻率和幅度，這更是一項非常亮眼的創(chuàng)新功能。”除了可穿戴應用，基于ADPD7000的GSR在駕駛艙駕駛者狀態(tài)監(jiān)測功能的應用也已經(jīng)獲得開發(fā)支持，在前不久的慕尼黑上海電子展上就獲得業(yè)界廠商的關注。

另一方面，續(xù)航和成本是可穿戴領域最受關注的問題。ADI在電源和芯片技術上提供極高的能量利用率一直是其可穿戴方案競爭力的關鍵點之一。此次將GSR與PPG、ECG和BIA結合組成四合一的模擬前端，無疑是對其低功耗技術的極致挑戰(zhàn)。

另一方面，續(xù)航和成本是可穿戴領域最受關注的問題，ADI在電源和芯片技術上提供極高的能量利用率一直是其可穿戴方案競爭力的關鍵點之一。此次ADPD7000將GSR與PPG、ECG和BIA結合組成四合一模擬前端，無疑是對其低功耗技術的極致挑戰(zhàn)?！癆DPD7000的超高信噪比使得只需要很微弱的光就能實現(xiàn)監(jiān)測，同時新增的GSR也是超低功耗，可以做到持續(xù)檢測且基本不影響電池續(xù)航?！焙卧唇榻B道，“此外，PPG中200mV的順從電壓（Compliance Voltage），也會節(jié)省系統(tǒng)電源設計，簡化客戶的系統(tǒng)設計，并節(jié)省BOM成本?！?/p>

全棧系統(tǒng)方案背后

是本土化策略實現(xiàn)的全球化優(yōu)勢

深度的本土化戰(zhàn)略使ADI中國能夠敏捷地響應本地市場的創(chuàng)新需求，更好地融入本地產業(yè)生態(tài)，同時兼顧全球市場。在何源的分享中，ADPD7000由本土團隊打造的特質被他多次強調，這背后是ADI的“in China for China”核心戰(zhàn)略：“像ADPD7000這樣的VSM生命體征監(jiān)測方案，我更喜歡在前面加個C，即CVSM——這是ADI中國產品事業(yè)部更定向給中國客戶開發(fā)的產品。”此外，ADI與生態(tài)合作伙伴的關系也遠遠不是賣貨這么簡單，ADI提供的是一套全棧式方案，包括行業(yè)資源、海內外資源的對接等。據(jù)悉，目前ADI的合作伙伴已經(jīng)基于該系列芯片，在無創(chuàng)測量血壓、更精準的情緒/抑郁/壓力/疲勞度監(jiān)測等方面實現(xiàn)了突破。

像ADPD7000這樣的系統(tǒng)級方案，除了芯片外還提供了很多額外服務，遠遠超出了芯片本身，比如光學結構的設計、軟硬件設計，包括算法、系統(tǒng)集成等等?！癆DPD7000自研芯片搭配自研算法，也是本土設計的優(yōu)勢。在心率、血氧、心率變異性、離腕檢測、房顫、睡眠、體內含水量、血紅蛋白含量等領域ADI都有自研算法，這些實戰(zhàn)應用也都體現(xiàn)了ADI硬件結合算法的優(yōu)勢?！焙卧磁e例道。

“我們對客戶，也有很龐大的支持體系，本地產品線、系統(tǒng)團隊、銷售和FAE之外，有行業(yè)上豐富的合作伙伴，能夠對客戶實現(xiàn)全方位的支持。”何源強調道。而作為業(yè)界優(yōu)質的方案提供商，近年來ADI不斷深化本地戰(zhàn)略，為了更好地服務于本土客戶，成立了中國產品事業(yè)部，全鏈條本土化芯片定義、設計、制造、封裝、測試，具備領先技術、豐富資源、24小時服務響應和本地供應鏈等多重優(yōu)勢，助力廠家打造差異化的產品，用實際行動幫客戶實現(xiàn)快速的量產落地。

原文轉自亞德諾半導體