Covid-19 為醫療保健可穿戴設備的商業化提供了新的推動力。從用于檢測冠狀病毒早期癥狀的無線溫度感應標簽和貼片監視器的開發中可以明顯看出這一點。

最近的一個例子是 SkyWater Technology、Linear ASICs、SensiML 和 Upward Health 之間的合作。代工服務提供商 SkyWater Technology 最近與模擬芯片制造商 Linear ASIC 攜手，大規模生產具有溫度感應功能的支持無線連接的 IC。

此次合作的其他合作伙伴是 QuickLogic 的子公司 SensiML Corp.，該公司為超低功耗物聯網設備提供軟件，以及 Upward Health，一家家庭和虛擬醫療保健服務提供商。該傳感器平臺最終將被集成到接觸追蹤應用程序中，以檢測 Covid-19 的早期癥狀。

EnSilica Ltd. 還生產了具有無線連接功能的單芯片醫療傳感器，適用于各種傳感器，包括心電圖 (ECG)、溫度、機電和生物阻抗傳感器。無線醫療傳感器 ASIC 平臺可以與多個處理器和 DSP 配置一起使用，并且作為一個選項，可以結合機器學習加速器（例如 Arm Ethos-U55）來支持 AI 應用程序。

傳感器芯片的專用模擬前端 (AFE) 與具有臨床級精度的單導聯和多導聯 ECG 配合使用。它可以準確測量心電圖、心率、呼吸頻率、溫度和脈搏血氧飽和度。

雖然上述傳感器芯片的推出表明可穿戴設計在醫療和保健用例中的吸引力越來越大，但開發人員在使這些超薄設備成為設計現實時面臨的主要設計挑戰是什么？本文擴展了醫療可穿戴設計中的兩個主要問題：集成問題和光學設計。

集成難題雖然傳感器模塊廣泛用于解決超薄醫療可穿戴設備中的房地產和集成挑戰，但芯片制造商也在嘗試通過提供超緊湊的外形尺寸和支持一系列操作來簡化傳感器 IC 與系統的集成。電壓。

以傳感器芯片制造商 ams 推出的數字溫度傳感器為例，AS6221無需校準或線性化，并通過 8 個 I 2 C 接口提供測量輸出。溫度傳感器 IC（采用 1.5 × 1-mm WLCSP 封裝）以 4 Hz 的輸出數據速率消耗 6 μA 電流，適用于健身監測腕帶和智能手表。

據 ams 稱，AS6221 是業界最精確的數字溫度傳感器，在 20°C 至 42°C 的溫度范圍內具有 ±0.09°C 的測量精度。據該公司稱，其他溫度傳感器可以達到不超過±0.10°C的精度。

另一家傳感器芯片制造商 Integrated Device Technology (IDT) 現已成為瑞薩電子的全資子公司，該公司發布了一種生物傳感器模塊，以緩解醫療用例可穿戴設計中的集成問題。OB1203模塊采用4.2 × 2 × 1.2-mm 封裝，包括兩個 LED、驅動器、傳感器和一個在 I 2 C 總線上輸出所有傳感器數據的信號調節芯片。

除了測量心率和血氧水平的傳感器外，該模塊的附加傳感器還包括環境光傳感器、RGB 顏色傳感器、接近傳感器和脈搏血氧計生物傳感器。此外，該設計平臺具有臨床級心率和血氧飽和度 (SpO 2 ) 算法以及易于定制的 Android 應用程序，并且需要三個數據線才能運行。

增強的光學設計IDT 聲稱其新傳感器模塊的價值主張之一是其光學增強。這也是Maxim Integrated 推出的健康傳感器平臺 3.0 (HSP 3.0 ) 的重點。增強的光學架構顯著提高了消費者和監管批準的臨床設備中傳感器的信號采集質量。

HSP 3.0 平臺使可穿戴設備能夠監測心臟和呼吸問題，以管理慢性阻塞性肺病、Covid-19 等傳染病、睡眠呼吸暫停和心房顫動等疾病。除了基于手腕的可穿戴設備外，該參考設計還可用于其他干電極形式，如胸貼和智能戒指。

MAXREFDES104#——HSP 3.0 參考設計的部件號——聲稱可以節省至少六個月的開發時間。它有利于監測心電圖、心率、SpO 2和體溫的可穿戴設備。

HSP 3.0 參考設計中的傳感器板包含一個 AFE，該 AFE 將 PPG 和 ECG 測量集成在單個芯片中。（來源：Maxim Integrated）

Maxim Integrated 工業與醫療保健業務部董事總經理 Andrew Baker 表示，醫療保健可穿戴設備的一個關鍵挑戰是光機械設計。這包括 LED 和光電探測器的布置。

因此，參考板已經實施了過去幾年在組件相對于彼此的放置方面獲得的知識。它在底部放置了三個光電探測器。兩個光電探測器專注于使用綠色 LED 捕捉心率，而第三個距離 LED 較遠的光電探測器用于血液飽和度測量。

“光學設計完全取決于信噪比 [SNR]，而提供 110 dB SNR 的 MAXREFDES104# 對于同時進行兩次測量至關重要，”Baker 補充道。傳感器板上的 AFE 結合了 ECG 和光學功能，以前在兩個獨立的芯片上實現。

這意味著可穿戴設計可以執行同步 PPG 和 ECG 測量，即使采用獨立的采樣率；它還可以實現更多的功率優化。AFE 芯片MAX86176提供 110 dB 的 SNR，為干電極 ECG 應用增加 SpO 2?飽和能力和超過 110-dB 的共模抑制比。

拆箱后，工程師可以在幾分鐘內使用藍牙低功耗加密狗將其加載到 PC 上，并開始從傳感器板傳輸數據以進行數據收集和分析。它帶有源代碼設計文件，因此設計人員可以采用該平臺并根據他們的特定用例對其進行調整。

如前所述，這些功能可以為可穿戴設計工程師節省長達六個月的開發時間。但是，如果工程師沒有光學設計以及電極設計和心電圖方面的專業知識，則可能需要六個月以上的時間。

審核編輯 黃昊宇