【導讀】人口正在老化，越來越多的人需要健康支持，這給醫療保健整體支出帶來巨大影響。有鑒于此，政府部門和健康保險企業愈來愈強調預防、健康意識和生活方式。這不只是關于實行更多或更好的營養攝入計劃，而是在一般意義上更關注監測某些重要身體參數。正因如此，從事智能和健康手表業務的公司近年來營收明顯增長。
人口正在老化，越來越多的人需要健康支持，這給醫療保健整體支出帶來巨大影響。有鑒于此，政府部門和健康保險企業愈來愈強調預防、健康意識和生活方式。這不只是關于實行更多或更好的營養攝入計劃，而是在一般意義上更關注監測某些重要身體參數。正因如此，從事智能和健康手表業務的公司近年來營收明顯增長。
買一塊健康手表并監測身體參數，并不意味著您生活得更健康。關鍵在于通過較長時間監測某些身體參數來熟悉這些數值并加以利用，進而調整自己每天的生活以獲得改善。這個過程可幫助您了解身體如何工作，以及如何降低長期健康成本。
本文介紹ADI公司最新可穿戴VSM平臺和所用的傳感器技術（可穿戴設備如圖1所示）。ADI公司不是最終產品制造商。此平臺旨在提供一個參考，幫助電子設計人員和系統架構師加快開發過程，為專業和醫療市場設計出新型、更智能、更精確的可穿戴設備。
圖1. ADI公司第二代集成式可穿戴設備參考設計
測量什么？如何測量及在哪里測量？
通過可穿戴設備可測量各類重要身體參數。根據總體目標，測量某些參數比測量其他參數會更重要。可穿戴設備在身體上的位置在很大程度上決定了哪些參數可以測量，哪些不能測量。最明顯的位置是手腕。我們已習慣于在手腕上戴個物件，所以市場上有很多智能手表和腕戴設備之類的產品。除在手腕上進行測量以外，頭部也是佩戴可穿戴設備的好地方。例如，各式各樣的頭戴式耳機和耳塞中含有嵌入式傳感器，用來測量心率、氧飽和度、溫度等參數。身體上適合可穿戴設備的第三個位置是胸部。第一代心率監護儀就是設計在胸帶上，這種生物電位測量方法至今仍是非常精確的技術。不過，現在傾向于使用胸貼，因為胸帶穿戴起來不是很舒服。已有多家制造商設計智能胸貼以監測重要身體參數。
根據身體位置，我們不僅要選擇哪些參數可以測量，還要選擇使用何種技術。例如針對心率測量，生物電位測量是最古老的技術之一。其信號很強，利用兩個或更多電極便可從身體中輕松獲取。針對此方法，將電路集成在胸帶或耳機中再好不過。然而，在腕部等單一點處測量生物電位信號幾乎不可能。必須在產生電信號的心臟周圍測量。針對單點測量，光技術更合適。將光線射入組織中，捕捉并測量動脈中血流對光線的反射信號。從接收到的光信號可獲知逐搏心跳信息。該技術看似相當直截了當，但事實上存在多項挑戰和影響因素會使設計變得困難，比如運動和環境光線。
ADI公司第二代可穿戴設備參考平臺集成了上述大部分技術。該設備設計戴在手腕上，但您也可以去除軟帶，將設備貼在胸上，用作智能胸貼。該設備包含支持生物電位測量、光學心率測量、生物阻抗測量、運動跟蹤、溫度測量的技術，它們全都集成在一個微型電池供電設備中。
隱含用意
ADI公司為什么設計一個類似第二代可穿戴設備的系統？此類系統的目標是能夠評估各種檢測技術并輕松測量身體的多個重要參數。測量結果可存儲在閃存中，或通過BLE無線連接發送到智能設備。由于測量是同時進行，因此它也有助于發現多個參數之間的相關性。生物醫療工程師、算法提供商和企業家不斷尋找新技術、應用和使用場景以期及早檢測疾病，避免其發展到晚期，盡量降低疾病對身體的不利影響或損害。
傳感器成就該設備
該設備圍繞兩片堆疊成三明治形狀的PCB設計而成。主板包含低功耗處理器、無線BLE和完整的電源管理部分（包括電池調理和充電）。第二片板支持所有檢測技術。
PPG測量（光電血管容積圖）的光學系統圍繞ADI公司第二代光學模擬前端ADPD107而構建。ADPD系列的功能框圖如圖2所示。
圖2. ADPD105/ADPD106/ADPD107功能框圖
ADPD107用作完整收發器，驅動系統中的LED并測量光電二極管的返回信號。目標是針對消耗的一定LED電流量（電流傳輸比），測量盡可能高的光電流。輸入接收信號鏈圍繞可配置跨阻放大器而設計，其中增益編程有四個步進，最高達到200k。第二級負責抑制環境光。環境光干擾是一個大問題，尤其是當調制光時，比如使用LED或節能燈的固態照明系統。環境光抑制模塊含有一個帶通濾波器，其后是一個積分器，用以支持同步解調。這是一個關鍵功能，能夠非常有效地抑制外部光干擾。當因為某種原因而不需要環境光抑制級時，可以徹底旁路此模塊。
光學系統運用光脈沖。它有三個可編程的LED電流源。最大LED電流是可編程的，可以高達370 mA。脈沖寬度也是可編程的，可以窄至1 μs。但為了獲得良好的信號響應，脈沖寬度應在2 μs到3 μs左右。通常會提供一系列LED脈沖，同時模數轉換器對與LED發射脈沖相關的光電二極管接收信號進行采樣。數字引擎能夠對多個樣本進行平均以提高整體有效位數。
除光學系統外，機械設計對整體性能也有重大影響。該第二代設備的光學元件選擇分立器件。這給光電二極管選擇和LED波長提供了很大的靈活性，并且放寬了機械約束，例如LED和光電二極管之間的間距。第二代設備支持兩個綠光LED、一個紅光LED和一個紅外LED。對于在光學系統設計方面沒有太多經驗的設計者，集成完整光學模塊可能更容易。
關于光電二極管的數量、大小及LED波長選擇，存在一些不同的考慮。最新模塊的開發基于以下考慮：即使安裝在塑料窗口后面，其也能表現出非常好的光學性能。第一代需要一個分離窗口來抑制內部光污染（可視為光串擾）。分離窗口有助于降低直接來自LED而未穿透到主體中的光線所引起的直流失調。這種分離窗口不容易集成，在成本上也沒有吸引力。最新系列（比如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ）已大幅改進，僅使用一個完整窗口，ILP效應幾乎已降至0。
兩個AD8233模擬前端支持生物電位測量。 AD8233 （參見圖3）是 ADI公司第二代單導聯ECG前端，嵌入了右腿驅動(RLD)功能，設計用于在高噪聲環境中提取、放大、過濾微弱的生物電位信號。此器件的重點應用是可穿戴設備、便攜式家庭護理系統和訓練裝備。AD8233在交流耦合配置下工作。輸入級分為2個增益級。第一級的增益有限，后接一個二階高通濾波器和第二增益級。此輸入模塊的總增益為100 V/V，其中減去了電極半電池電位所引起的失調。AD8233的第二級結合了一個三階低通濾波器，它由一個二階Sallen Key濾波器和一個額外低通濾波器聯合而成。此濾波器的作用是抑制所有來自肌肉活動的EMG相關信號。
圖3. AD8233 ECG前端功能框圖
生物電位前端的工作頻率取決于使用場景。僅需要QRS檢測的普通心率監護儀，其工作頻率范圍遠小于需要更多信息（例如來自P波、QRS波群和T波的時序和幅度數據）的ECG監護儀。AD8233的目標頻段可通過外部電阻和電容配置。為提供靈活性，第二代可穿戴設備的ECG前端連接到嵌入式電極，配置為運動帶寬，支持7 Hz至25 Hz的目標頻段。第二個AD8233可以結合外部電極工作，配置用來監測0.5 Hz至40 Hz的信號。原理上可以選擇幾乎任何帶寬。然而，這要求修改硬件，改變R和C設置。
根據精度要求，AD8233輸出可以送至傳感器板上Cortex ? -M3處理 器中嵌入的12位逐次逼近型(SAR) ADC，或由獨立的16位AD7689SAR ADC數字化。用戶可以根據精度或電池壽命進行權衡。
設備背面有兩個電極，這些電極具有雙重功能。除ECG測量外，其還可用于皮膚電活動(EDA)測量。
EDA或皮膚電反應(GSR)與皮膚電導率有關，而內部或外部刺激引起的情緒變化會暫時改變皮膚電導率，例如壓力或癲癇會導致皮膚阻抗改變。第二代設備能夠檢測這種微小的電導率變化。系統利用交流激勵信號，其施加于兩個干電極上。也可以使用濕電極，效果會更好。不過，該設備僅利用兩個嵌入式不銹鋼干電極。使用交流激勵信號的主要優勢是它不會使電極極化。接收信號鏈代表一個跨阻放大器，后接AD7689 16位SAR型ADC。出于性能原因，ADC采樣速率遠高于激勵速率。ADC輸出之后是一個運行在ADuCM3029處理器上的離散傅里葉變換(DFT) 引擎，用以表示復阻抗。上述測量原理能以高信噪比測量皮膚阻抗或皮膚電導率，并且非常好地抑制50 Hz/60 Hz環境信號。電路基于此測量原理而構建，完全采用分立器件。這一設計決策的主要原因是靈活性、精度和相當低的功耗。與此同時，ADI 公司正在開發一款支持上述應用的新芯片。其精度非常高，而功耗極小。ADuCM350也支持類似測量，但此芯片未針對功耗敏感型應用而優化。
如果僅測量生命體征參數而不了解測量時身體處于何種狀態，那么可穿戴設備是無價值的。因此，運動檢測和剖析很重要。像光學心率監測之類的使用場景對運動非常敏感，運動可能完全破壞測量精度。有鑒于此，運動也需要加以追蹤以補償偽像。運動傳感器有助于追蹤運動，如果需要，可以在最終讀數結果中補償運動。 ADXL362 是目前功耗最低的運動傳感器。它有一個3軸MEMS傳感器并集成12位ADC，可檢測X、Y和Z軸上的運動。ADC的輸出數據速率(ODR)反映傳感器的功耗，在每軸400 Hz的全ODR時功耗為3 μA。圖4顯示了功耗與輸出數據速率的關系曲線。
圖4. ADXL362功耗與輸出數據速率的關系
此傳感器也可用作運動激活開關。采樣速率可以降至僅6 Hz。每隔150 ms，傳感器便喚醒并測量運動。若無運動，它將徑直回到睡眠狀態，再睡眠150 ms。當 g 力等于或高于設定的閾值水平且至少持續設定的最短時間時，說明檢測到運動，傳感器隨即產生中斷或使能電源開關以開啟應用。在此模式下，傳感器功耗僅300 nA，依靠單顆紐扣電池便可運行數年。總結所有這些使用場景，可知運動傳感器在可穿戴設備中必不可少。
溫度檢測是另一個重要參數。這正是第二代可穿戴設備嵌入兩個溫度傳感器的原因。腕帶設備利用NTC測量皮膚溫度和設備內部溫度，通過與身體接觸的傳感器測量溫度的方法有多種。NTC由分立電路供電和調理，16位ADC最終將信號轉換到數字域。ADI公司擁有類型廣泛和各種精度水平的溫度傳感器。第二代的溫度傳感器構建成分立式的原因是有ADC等多個功能可供使用，設計者可以盡可能多地重用若干模塊以減少冗余性，并節省更多功耗。
ADuCM3029——集大成者
第二代設備運用兩個處理器。并不是非要不可，其目的是提供更大的靈活性。帶無線BLE的接口板有一個處理器，該器件也用在傳感器板上以便能自主運行。
設備中集成了超低功耗 ADuCM3029 以收集傳感器數據并運行算法。圖5為該處理器中的集成模塊概覽。
圖5. ADuCM3029集成模塊
內核是一個26 MHz Cortex-M3，具有豐富的外設組合、片上存儲器和模擬前端。它有4種工作模式，全面運行模式下的芯片功耗為38 μA/MHz。如不需要處理能力，設備可在靈活模式下運行。在這種工作模式下，模擬前端運行，外設有效，測得的信號可通過DMA存儲在存儲器中。此模式的功耗僅有300 μA，故該芯片對低功耗電池供電系統非常有吸引力。其中還嵌入了多項安全特性以保護代碼，并有一個硬件加速器用于加密功能。
使用場景的選擇
第二代可穿戴設備有很多用途。傳感器可以集成到智能手表中，但包括精確心率監測和運動/卡路里消耗測量在內的眾多功能對運動手表也很有利。智能手表和運動手表的主要區別在于對精度和電池壽命的取舍不同。
該設備可用來測量壓力或情感狀態。通常利用組合測量來獲得可靠的讀數，例如皮膚阻抗、心率變化和溫度的組合。
另一個有意義的使用情形是血壓監控。這是一個非常重要的參數，但大部分系統是基于護腕的，很難集成到可穿戴式連續監控系統中。某些技術無需護腕便可測量血壓。有一種技術利用脈搏波傳輸時間(PTT)，這要求ECG測量與PPG測量相結合。第二代可穿戴設備內部的傳感器支持此技術。
最后一個重要市場與老年護理和獨立生活有關。社會對能幫助護理人員遠程監測某些參數的系統有巨大需求。該可穿戴設備支持95%的功能需求。系統可監測多項生命體征參數。它不僅能識別人是在移動還是在行走，而且能檢測人是否跌倒。可穿戴設計缺失的一塊是應急按鈕，但這只需將處理器上的一個I/O引腳連接到設備上方的一個開關便能實現。
從原型到產品
第二代設備在一個小型可穿戴系統中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設計外，還考慮了許多機械設計方面。這使得該平臺對聚焦于半專業運動市場、醫療市場以及智能建筑、獨立生活、老年護理系統相關企業的設計公司和設備制造商極具吸引力。所有參數可以同時測量，但算法需要助力應用以支持使用場景。測試和驗證算法之前無需構建硬件，開發商和設備制造商可利用此設備快速開始項目。第二代設備供貨數量有限，ADI公司非常有興趣與設計公司和算法提供商合作，開發可出售給專業看護和醫療保險公司的先進系統。
（來源：中電網，作者：Jan-Hein Broeders）
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