人口正在老齡化，越來越多的人需要醫(yī)療保健支持，這對醫(yī)療保健的整體支出產(chǎn)生了重大影響。因此，當(dāng)局和健康保險(xiǎn)公司更加重視預(yù)防、健康意識和生活方式。這不僅僅是鍛煉更多或更好的營養(yǎng)攝入量，而且一般來說，人們對監(jiān)測某些重要的身體參數(shù)更感興趣。這就是為什么智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司在過去幾年中收入增長的原因。

購買健康手表和測量身體參數(shù)并不意味著您以更健康的方式生活。訣竅在于，您需要在較長時(shí)間內(nèi)監(jiān)測某些身體參數(shù)，以熟悉這些數(shù)字，并使用它們來調(diào)整您的日常生活以改善。這個(gè)過程可以幫助您更好地了解身體的運(yùn)作方式以及如何長期降低健康成本。

本文介紹了ADI公司最新的可穿戴VSM平臺和所使用的傳感器技術(shù)。ADI不是最終產(chǎn)品的制造商。然而，該平臺旨在作為參考，幫助電子設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)架構(gòu)師加快開發(fā)過程，同時(shí)為專業(yè)和醫(yī)療市場設(shè)計(jì)新的、更智能、更準(zhǔn)確的可穿戴設(shè)備。

我們在測量什么？如何以及在哪里？

使用可穿戴設(shè)備可以測量各種重要參數(shù)。根據(jù)總體目標(biāo)，某些參數(shù)比其他參數(shù)更重要。可穿戴設(shè)備在身體上的位置對可以測量和不能測量的內(nèi)容有很大的影響。最明顯的位置是手腕。我們習(xí)慣于在手腕上佩戴設(shè)備，這就是為什么市場上有這么多產(chǎn)品（如智能手表和腕戴式設(shè)備）的原因。除了在手腕上測量外，頭部是可穿戴設(shè)備的另一個(gè)好位置。例如，耳機(jī)和耳塞提供不同的樣式，其中包含嵌入式傳感器，用于測量心率、血氧飽和度和溫度等參數(shù)。可穿戴設(shè)備在身體上的第三個(gè)位置是胸部。第一代心率監(jiān)測器是圍繞胸帶設(shè)計(jì)的，這種生物電位測量方法仍然是一種非常準(zhǔn)確的技術(shù)。不過，今天我們傾向于使用胸貼，因?yàn)楸韼宕髌饋聿皇呛苁娣准抑圃焐虆⑴c了智能貼片的設(shè)計(jì)，以監(jiān)測重要參數(shù)。

根據(jù)身體位置的不同，我們不僅要選擇可以測量哪些參數(shù)，還要選擇應(yīng)該使用什么技術(shù)。例如，對于心率測量，生物電位測量是最古老的技術(shù)之一。信號很強(qiáng)，很容易通過使用兩個(gè)或多個(gè)電極從體內(nèi)檢索。對于這種方法，將電路集成到胸帶或耳機(jī)中是完美的。然而，在手腕等單個(gè)點(diǎn)測量生物電位信號幾乎是不可能的。您需要測量產(chǎn)生這些電信號的整個(gè)心臟。對于單點(diǎn)測量，光學(xué)技術(shù)更為合適。光被發(fā)送到組織中，由于動脈中的血流，其反射被捕獲和測量。從這個(gè)光學(xué)接收信號中，可以檢索逐拍信息。這項(xiàng)技術(shù)聽起來相當(dāng)簡單，但是，有幾個(gè)挑戰(zhàn)和影響因素會使設(shè)計(jì)變得非常困難，例如運(yùn)動和環(huán)境光。

ADI公司第二代可穿戴設(shè)備參考平臺具有上述大多數(shù)技術(shù)。該設(shè)備設(shè)計(jì)為戴在手腕上。但是，您也可以取下軟腰帶并將設(shè)備連接到胸部以將其用作智能貼片。該設(shè)備包括支持生物電位測量、光學(xué)心率測量、生物阻抗測量、運(yùn)動跟蹤和溫度測量的技術(shù)，所有這些都集成在一個(gè)微型電池供電設(shè)備中。

基本信息

ADI公司為何設(shè)計(jì)像第二代可穿戴設(shè)備這樣的系統(tǒng)？像這樣的系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠評估各種傳感技術(shù)，并以簡單的方式測量身體上的幾個(gè)重要參數(shù)。這些測量結(jié)果可以存儲到閃存中，也可以通過BLE無線連接發(fā)送到智能設(shè)備。由于測量是同時(shí)進(jìn)行的，因此它還可以幫助找到多個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性。生物醫(yī)學(xué)工程師、算法提供商和企業(yè)家一直在尋找新技術(shù)、應(yīng)用和用例，以便在早期階段檢測疾病，以盡量減少后期可能對身體產(chǎn)生的負(fù)面影響或損害。

傳感器正在制造設(shè)備

該設(shè)備圍繞兩個(gè)PCB設(shè)計(jì)，這些PCB堆疊成三明治。主板包含一個(gè)低功耗處理器、一個(gè)BLE無線電和完整的電源管理部分，包括電池調(diào)節(jié)和充電。第二塊板支持所有傳感技術(shù)。

用于PPG測量（光電容積描記圖）的光學(xué)系統(tǒng)圍繞ADI公司的第二代光學(xué)模擬前端ADPD107構(gòu)建。ADPD系列的框圖如圖2所示。

圖2.ADPD105/ADPD106/ADPD107的框圖。

ADPD107用作完整的收發(fā)器，驅(qū)動系統(tǒng)中的LED，并測量來自光電二極管的返回信號。目標(biāo)是測量給定的LED電流消耗量（電流傳輸比）盡可能高的光電流。輸入接收信號鏈圍繞可配置的跨阻放大器設(shè)計(jì)，增益可以四級編程，最高可達(dá)200k。第二階段負(fù)責(zé)環(huán)境光抑制。環(huán)境光干擾源是一個(gè)大問題，尤其是在調(diào)制光時(shí)，例如帶有LED或節(jié)能燈的固態(tài)照明系統(tǒng)。環(huán)境光抑制模塊包含一個(gè)帶通濾波器，后跟一個(gè)積分器，以支持同步解調(diào)。這是一個(gè)關(guān)鍵功能，可以非常有效地抑制外部光干擾。無論出于何種原因，當(dāng)不需要環(huán)境光抑制級時(shí)，可以完全繞過該模塊。

光學(xué)系統(tǒng)利用光脈沖。有三個(gè)LED電流源，完全可編程。最大 LED 電流可編程，最高可達(dá) 370 mA。此外，脈沖寬度是可編程的，可以窄至1 μs。但是，為了獲得良好的信號響應(yīng)，脈沖寬度應(yīng)在2 μs至3 μs左右。通常，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對與脈沖LED發(fā)射脈沖相關(guān)的光電二極管接收信號進(jìn)行采樣時(shí)，會給出一系列LED脈沖。數(shù)字引擎能夠平均多個(gè)樣本，以增加整體有效位數(shù)。

除了光學(xué)系統(tǒng)，機(jī)械設(shè)計(jì)也對整體性能有重大影響。在該第二代器件中，光學(xué)元件被選為分立器件。這在光電二極管選擇和LED波長以及機(jī)械約束（如LED和光電二極管之間的間距）方面提供了很大的靈活性。第二代器件支持兩個(gè)綠色 LED、一個(gè)紅色 LED 和一個(gè)紅外 LED。對于那些在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)方面沒有太多經(jīng)驗(yàn)的人來說，集成一個(gè)完整的光學(xué)模塊可能更容易。

在光電二極管的數(shù)量、尺寸和 LED 波長的選擇方面有不同的口味。最新的模塊的開發(fā)方式使得即使安裝在塑料窗口后面，它們也能顯示出出色的光學(xué)性能。第一代需要分體窗來抑制內(nèi)部光污染，這可以看作是光學(xué)串?dāng)_。分體式窗口有助于減少直流偏置，直接來自 LED 的光線不會滲透到機(jī)身中。這樣的拆分窗口不容易集成，從成本的角度來看也沒有吸引力。最新的系列，如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ，已經(jīng)有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，即使只有一個(gè)完整的窗口，ILP效應(yīng)也幾乎為零。

生物電位測量由兩個(gè)獨(dú)立的AD8233模擬前端支持。AD8233（見圖3）是ADI公司的第二代單導(dǎo)聯(lián)ECG前端，具有嵌入式右腿驅(qū)動（RLD）功能，設(shè)計(jì)用于在嘈雜環(huán)境中提取、放大和濾波小生物電位信號。該組件的重點(diǎn)應(yīng)用是可穿戴設(shè)備、便攜式家庭護(hù)理系統(tǒng)和健身器材。AD8233采用直流耦合配置。輸入級分為2個(gè)增益級。增益有限的第一級之后是二階高通濾波器和第二增益級。該輸入模塊的總增益為100 V/V，其中包括減去電極半電池電位導(dǎo)致的失調(diào)。AD8233中的第二級與三階低通濾波器組合在一起。它是二階Sallen Key在統(tǒng)一中工作，然后是一個(gè)額外的低通濾波器。該過濾器的目的是抑制來自肌肉活動的所有與肌電圖相關(guān)的信號。

圖3.AD8233 ECG前端框圖

生物電勢前端的工作頻率取決于用例。對于只需要QRS檢測的正常心率監(jiān)測器，與需要更多信息的ECG監(jiān)護(hù)儀相比，工作頻率范圍要小得多，例如P波與QRS波與T波的時(shí)間和幅度數(shù)據(jù)。AD8233的目標(biāo)頻帶可通過外部電阻和電容進(jìn)行配置。為了支持靈活性，第二代可穿戴設(shè)備將ECG前端連接到嵌入式電極，配置在運(yùn)動帶寬中，支持7 Hz至25 Hz的目標(biāo)頻段。第二個(gè)AD8233可與外部電極組合工作，配置為監(jiān)控0.5 Hz至40 Hz的信號。原則上，幾乎可以選擇任何帶寬。但是，這需要通過更改 R 和 C 設(shè)置來修改硬件。

根據(jù)所需的精度，AD8233輸出可以發(fā)送到傳感器板上Cortex-M3處理器中嵌入的12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，也可以通過獨(dú)立的16位AD7689 SAR ADC進(jìn)行數(shù)字化。可以做出權(quán)衡，具體取決于精度或電池壽命。?

在設(shè)備的背面，你會發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電極。這些具有雙重功能。除了心電圖測量外，這些還可用于皮膚電活動（EDA）。

EDA或皮膚電反應(yīng)（GSR）與皮膚的電導(dǎo)率有關(guān)，皮膚的電導(dǎo)率會因情緒而暫時(shí)改變，來自內(nèi)部或外部刺激 - 例如，由于壓力或癲癇，皮膚阻抗變化。第二代設(shè)備能夠檢測到電導(dǎo)率的微小變化。該系統(tǒng)利用交流激勵信號，該信號施加在兩個(gè)干電極上。濕電極也可以使用，而且會更好。然而，該設(shè)備僅使用兩個(gè)嵌入式干式不銹鋼電極。使用交流激勵信號的主要優(yōu)點(diǎn)是不會使電極極化。接收信號鏈代表一個(gè)跨阻放大器，后接16位SAR ADC的AD7689。出于性能原因，ADC采樣速率遠(yuǎn)高于激勵速率。ADC輸出后跟在ADuCM3029處理器上運(yùn)行的分立式傅里葉變換（DFT）引擎，以表示復(fù)阻抗。如上所述的測量原理能夠以高信噪比測量皮膚阻抗或皮膚電導(dǎo)，并很好地抑制50 Hz/60 Hz的環(huán)境噪聲。圍繞該測量原理的電路完全由分立元件構(gòu)成。做出這種設(shè)計(jì)決策的主要原因是在相當(dāng)?shù)偷墓南聦?shí)現(xiàn)靈活性和精度。與此同時(shí)，ADI正在開發(fā)一款支持上述應(yīng)用的新芯片。它以最小的功耗提供高水平的精度。ADuCM350也支持類似的測量，盡管該芯片未針對功耗敏感型應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

可穿戴設(shè)備對于測量重要參數(shù)毫無價(jià)值，而無需了解人體在做什么。因此，運(yùn)動檢測和剖析非常重要。光學(xué)心率監(jiān)測等一些用例對運(yùn)動非常敏感，運(yùn)動會完全破壞測量的準(zhǔn)確性。因此，還需要跟蹤運(yùn)動以補(bǔ)償偽影。運(yùn)動傳感器將有助于跟蹤運(yùn)動，并在需要時(shí)，可以在讀數(shù)的最終結(jié)果中補(bǔ)償運(yùn)動。ADXL362是目前功耗最低的運(yùn)動傳感器。它具有一個(gè)集成 12 位 ADC 的 3 軸 MEMS 傳感器，用于檢測 X、Y 和 Z 軸上的運(yùn)動。ADC的輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）代表傳感器的功耗，在每軸400 Hz的全ODR下為3 μA。圖4顯示了功耗與輸出數(shù)據(jù)速率的函數(shù)關(guān)系圖。

圖4.ADXL362的功耗與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

該傳感器也可用作運(yùn)動激活開關(guān)。有可能將采樣率降低到僅6 Hz。每 150 毫秒，傳感器就會喚醒并測量運(yùn)動活動。不動，它會直接回到睡眠狀態(tài) 150 毫秒。目前，在等于或高于預(yù)編程閾值水平的g力下檢測到運(yùn)動，并且至少在編程的最短時(shí)間內(nèi)，傳感器產(chǎn)生中斷或使能電源開關(guān)以打開應(yīng)用程序。在這種模式下，傳感器僅消耗300 nA，并且可以使用單個(gè)紐扣電池運(yùn)行數(shù)年。總結(jié)的所有用例使運(yùn)動傳感器成為可穿戴設(shè)備中的必備品。

溫度傳感是另一個(gè)重要參數(shù)。這就是為什么第二代可穿戴設(shè)備嵌入了兩個(gè)溫度傳感器。腕戴式設(shè)備使用NTC來測量皮膚溫度和設(shè)備內(nèi)部的溫度 - 有多種方法可以通過接觸身體的傳感器測量溫度。NTC由分立電路供電和調(diào)理，16位ADC最終將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。ADI公司提供各種精度級別的溫度傳感器。GEN II溫度傳感器之所以采用分立式構(gòu)建，是因?yàn)闊o論如何都可以使用ADC等多種功能，因此設(shè)計(jì)人員盡可能重復(fù)使用多個(gè)模塊，以減少冗余并節(jié)省額外功耗。

ADuCM3029，萬物融合

第二代設(shè)備使用兩個(gè)處理器。這并不是絕對需要這樣做，而是為了提供更大的靈活性。帶有BLE無線電的接口板有一個(gè)處理器，傳感器板上使用相同的設(shè)備，以便能夠自主運(yùn)行。

集成了超低功耗ADuCM3029，用于收集傳感器數(shù)據(jù)并運(yùn)行算法。圖 5 概述了處理器中的集成模塊。

圖5.集成ADuCM3029模塊。

內(nèi)核是一個(gè)26 MHz Cortex-M3，具有豐富的外設(shè)集、板載存儲器和模擬前端。有 4 種工作模式，在完全運(yùn)行時(shí)，芯片每 MHz 消耗 38 μA。在不需要處理能力的情況下，設(shè)備可以在靈活模式下運(yùn)行。在這種工作模式下，模擬前端運(yùn)行，外設(shè)處于活動狀態(tài)，測量信號可以通過DMA存儲在存儲器中。此模式僅消耗300 μA，因此該芯片對于低功耗電池供電系統(tǒng)非常有吸引力。嵌入了多種用于代碼保護(hù)的安全功能，并嵌入了用于加密功能的硬件加速器。

用例的選擇

第二代可穿戴設(shè)備可用于多種用途。傳感器可以集成到智能手表中，但功能范圍，包括準(zhǔn)確的心率監(jiān)測和活動測量/卡路里燃燒，對運(yùn)動手表也很有幫助。智能手表和運(yùn)動手表之間的權(quán)衡主要在精度與電池壽命之間進(jìn)行權(quán)衡。

該設(shè)備可用于測量壓力或情緒狀態(tài)。通常使用測量的組合來獲得可靠的讀數(shù)，例如皮膚阻抗以及心率變異性和溫度。

血壓監(jiān)測是另一個(gè)有趣的用例。這是一個(gè)非常重要的參數(shù)，但大多數(shù)系統(tǒng)都是基于袖帶的，很難集成到可穿戴和連續(xù)系統(tǒng)中。有一些技術(shù)可以用來測量血壓，而無需袖帶。一種技術(shù)是利用脈沖波傳輸時(shí)間（PTT）。這需要心電圖測量與PPG測量相結(jié)合。第二代可穿戴設(shè)備內(nèi)部的傳感器可以支持這一點(diǎn)。

最后一個(gè)關(guān)鍵市場與老年人護(hù)理和獨(dú)立生活有關(guān)。對可以幫助護(hù)理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控某些參數(shù)的系統(tǒng)的需求巨大。這款可穿戴設(shè)備支持所需的 95% 的功能。該系統(tǒng)監(jiān)控幾個(gè)重要參數(shù)。它可以跟蹤人們是否在移動或行走，但也能夠檢測跌倒。可穿戴設(shè)計(jì)中缺少的部分是緊急按鈕，但這是將處理器上的一個(gè)I / O引腳連接到設(shè)備頂部的開關(guān)的問題。

從原型到產(chǎn)品

第二代設(shè)備在小型可穿戴系統(tǒng)中嵌入了許多高性能傳感器和功能。除了電子設(shè)計(jì)外，還考慮了許多機(jī)械方面。這使得該平臺對專注于半職業(yè)體育市場、醫(yī)療市場以及涉及智能建筑、獨(dú)立生活或老年護(hù)理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)公司和設(shè)備制造商非常有吸引力。所有參數(shù)都可以同時(shí)測量，但算法需要補(bǔ)充應(yīng)用程序以支持用例。該設(shè)備不是在測試和驗(yàn)證算法之前構(gòu)建硬件，而是為開發(fā)人員和設(shè)備制造商提供快速入門。GEN II器件數(shù)量有限，ADI非常有興趣與設(shè)計(jì)公司和算法提供商合作開發(fā)最先進(jìn)的系統(tǒng)，銷售給專業(yè)護(hù)理人員和健康保險(xiǎn)公司。

審核編輯：郭婷