可穿戴醫(yī)療保健設(shè)備傳感器設(shè)計師指南

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)測功能的許可。類似的故事正在配備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 功能的可聽設(shè)計中形成。

在此應(yīng)用中，微型傳感器與有線或無線通信一起，通過記錄心理因素和其他跡象來識別異常和意外情況。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，因為醫(yī)療保健和健身監(jiān)測器要求在測量人體生物特征（如體溫和心率）時更準(zhǔn)確。

個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)測身體信號，例如血壓、心跳和其他代謝活動。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，同時監(jiān)測心血管、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)療級傳感器在可穿戴設(shè)計中至關(guān)重要，因為它們在創(chuàng)建高級監(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)備開發(fā)人員在選擇微型傳感器并將其集成到便攜式設(shè)計中時的三個主要設(shè)計考慮因素。該過程從傳感器設(shè)備的靈敏度和準(zhǔn)確性開始。

傳感器測量的準(zhǔn)確性

雖然準(zhǔn)確性是整個傳感器的首要考慮因素，但它提出了一個特殊的設(shè)計挑戰(zhàn)，因為可穿戴設(shè)備體積小且佩戴在身體上。他們可能會遭受熱自熱和持續(xù)的身體接觸，這會影響測量生命體征的準(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) 和血壓測量的準(zhǔn)確性。

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

此外，Maxim Integrated 的MAX30208?數(shù)字溫度傳感器消除了熱自發(fā)熱，同時在 30°C 至 50°C 范圍內(nèi)提供 ±0.1°C 的精度。臨床級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)動補(bǔ)償算法來提高測量精度。

可穿戴傳感器的電源難題

由于電池容量有限，將心率監(jiān)測納入智能手表和運(yùn)動表帶一直是一項挑戰(zhàn)。換句話說，用于心率監(jiān)測的光學(xué)傳感器需要顯著降低功耗，以延長可穿戴設(shè)備的運(yùn)行時間。

以 Maxim Integrated 針對可聽設(shè)備和其他可穿戴應(yīng)用的MAXM86161?入耳式心率監(jiān)測器和脈搏血氧儀為例。該傳感器集成了模擬前端 (AFE)，無需單獨(dú)的芯片并將其連接到光學(xué)模塊。Maxim Integrated 聲稱，MAXM86161 傳感器的功耗比最接近的競爭對手低約 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)測器采用 OLGA 封裝，尺寸為 2.9 x 4.3 x 1.4 mm，包括三個 LED：紅色和紅外線用于 SpO 2?測量，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)測設(shè)備，以確?？纱┐髟O(shè)備不會讓患者佩戴不愉快，并提供更長的電池壽命。Analog Devices Inc. (ADI)的AD8233?芯片設(shè)計為 ECG 前端，具有 50 μA 的典型靜態(tài)電流，可將功耗降至微安級。

用于醫(yī)療可穿戴設(shè)備的傳感器平臺

與其他便攜式設(shè)計一樣，提供模塊化傳感器平臺以促進(jìn)醫(yī)療可穿戴設(shè)備的開箱即用解決方案。例如，iProtoXi 的Aistin Blue開發(fā)套件隨附用于健身和活動跟蹤的應(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。該套件包括可簡化傳感器配置和數(shù)據(jù)采集的Kionix Windows 傳感器評估軟件。

另一個例子是 Maxim Integrated 的MAXREFDES101?健康傳感器平臺 2.0（圖 2），它有助于快速原型設(shè)計、評估和開發(fā)，以準(zhǔn)確監(jiān)測體溫、心率和 ECG。它包括一個手表外殼，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有助于測量心電圖、心率和溫度。（圖片：美信集成）

傳感器板包括一個光學(xué)傳感器、一個集成的生物電勢和生物阻抗 AFE、一個溫度傳感器和一個生物識別傳感器集線器。在這里，MAX32664生物識別傳感器集線器通過提供嵌入式固件和算法以及實(shí)現(xiàn)與光學(xué)傳感器的無縫通信，簡化了開發(fā)過程。

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

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)測各種健康參數(shù)。最常見的生物傳感器類型之一，光學(xué)傳感器，就是一個很好的例子。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的準(zhǔn)確性。

因此，光學(xué)傳感器與生命體征監(jiān)測算法集成在一起，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)計和開發(fā)套件的可用性可以為可穿戴設(shè)計工程師節(jié)省數(shù)月的開發(fā)工作，同時提供用于簡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