從手環(huán)、智能手表到TWS耳機，可穿戴設備市場(chǎng)總有爆款出現，從而市場(chǎng)熱度持續高漲。目前，可穿戴設備的年出貨量已超過(guò)個(gè)人電腦，成為元器件廠(chǎng)商必須要重視的應用方向之一，其中醫療健康更已成為可穿戴產(chǎn)品的主打功能，據市場(chǎng)研究機構Yole的統計數字顯示，2019年全球可穿戴醫療健康產(chǎn)品出貨量達到3.47億件，該機構預測，到2025年可穿戴醫療健康產(chǎn)品出貨量有望超過(guò)7.5億件，比2019年翻倍。
進(jìn)入2022年，傳感器與芯片的小型化與多功能集成，將進(jìn)一步增加可穿戴設備的便攜性，或改善可穿戴設備的持續續航時(shí)間；智能可穿戴設備與智能家電等手機之外其他設備的互動(dòng)性將進(jìn)一步加強；操控方式將更加多元化，手勢操控功能等將被智能可穿戴設備采用；獨立通信功能將逐漸成為智能手表標配�？傊�，可穿戴設備將向著(zhù)功能更豐富、形態(tài)更多樣、指標更精準、續航時(shí)間更長(cháng)等方向發(fā)展，在社交網(wǎng)絡(luò )、醫療健康、導航、商務(wù)和新媒體等眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
可穿戴設備數據可被醫學(xué)臨床接受
當前，可穿戴設備的運動(dòng)記錄、健身指導等運動(dòng)健康功能已經(jīng)被普遍接受，例如常見(jiàn)的手環(huán)與手表產(chǎn)品，都具備測量心率、步頻等指標的功能，但這些數據通常不能用于臨床。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，更多醫療級監測功能正在被加入到可穿戴設備中，例如對血壓、血氧和心電圖的測量，這些醫療級功能的實(shí)現，標志著(zhù)可穿戴設備開(kāi)始為醫生臨床診療提供可參考的數據來(lái)源。
自2019年新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，全球各地先后出現醫療資源緊張的情況，去醫院的流程也變得更加繁瑣，因而居家醫療監護設備受到市場(chǎng)歡迎，利用可穿戴醫護設備，患者可以監控自己的體溫、血氧、心率和呼吸，并可將數據定期傳送給指定醫院，從而完成預測篩查、發(fā)病檢測、在家監護等功能，為患者提供了省時(shí)、便捷又省錢(qián)的醫療監測方案。智能穿戴設備的特點(diǎn)是可檢測的數據越多越能為用戶(hù)帶來(lái)價(jià)值，所以即便將來(lái)恢復正常生活秩序，可穿戴醫療設備也將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
可穿戴設備可隨身攜帶的特點(diǎn)有利于對無(wú)需臥床的患者身體狀況進(jìn)行長(cháng)期監測，這對慢性阻塞性肺疾病、房顫、阻塞性睡眠窒息癥等有一定致命風(fēng)險的慢性病管理大有幫助。
圖1：遠程病人監護應用案例（圖源：ADI）
房顫篩查（AFib）就是可穿戴心電設備醫療應用的一個(gè)典型案例。心房顫動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)房顫）是極為常見(jiàn)的持續性心律失常，房顫時(shí)心房以遠高于正常心跳的節奏不規則跳動(dòng)，心房失去了協(xié)調有效的收縮和舒張，易引發(fā)心力衰竭、腦梗塞，甚至會(huì )導致猝死，一旦患上房顫，中風(fēng)的風(fēng)險會(huì )比正常人高五倍。但如果能夠早發(fā)現、早治療，可以很好地控制房顫影響，甚至痊愈。但發(fā)現房顫的主要困難是部分患者在房顫未發(fā)生的時(shí)候沒(méi)有任何癥狀，這部分患者占比約一半，針對房顫無(wú)癥狀人群，廣泛篩查是唯一可信賴(lài)的方法，現在心電貼等消費級心電設備就可以做早期房顫篩查，檢測結果也得到了醫學(xué)臨床的認可。
可穿戴設備的血氧測試結果也逐漸在肺病、呼吸病醫學(xué)臨床診療中采納，血氧飽和度（SpO2）過(guò)低，往往意味著(zhù)有心力衰竭、慢性肺病、睡眠暫停癥等疾病，尤其新冠疫情爆發(fā)以后，醫療機構也建議通過(guò)監測患者血氧飽和度來(lái)判斷病情嚴重程度。
在糖尿病管理方面，患者可通過(guò)連續血糖監測儀給出的數據，更有效地管理自己的健康狀況，而根據連續的測量數據，醫生就能給患者提出更準確、更有效的治療方案。
醫療級指標與小體積兼得
要滿(mǎn)足醫療級應用，對可穿戴設備中的關(guān)鍵元器件就提出了新要求：既要適應傳統可穿戴設備“輕薄短小”的尺寸要求，又要符合醫療級應用高精度、高可靠的指標要求，還要考慮到低功耗、續航力，可長(cháng)時(shí)間工作。
醫療級應用首先要有醫療級精度，以體溫檢測為例，臨床級精度要達到體溫范圍內±0.1℃的精度。ADI公司的MAX30208數字溫度傳感器就能滿(mǎn)足臨床體溫檢測要求，該芯片在+30℃至+50℃范圍內具有±0.1℃的精度，在0℃至+70℃范圍內具有±0.15℃ 的精度。由于元器件工作時(shí)本身會(huì )發(fā)熱，因而排除元器件熱干擾就是臨床級測溫設備需要考慮的因素。MAX30208本身工作電流很低，僅有67µA，待機時(shí)消耗的電流為0.5 µA，低工作電流保證了芯片本身散發(fā)出的熱量較低。此外，芯片熱量由封裝底部引腳散發(fā)出來(lái)，所以該芯片將溫度傳感器放置于封裝頂部，遠離芯片引腳，從而極大地降低了元器件的熱干擾。對這款器件感興趣的讀者，可以在貿澤官網(wǎng)購買(mǎi)MAX30208評估系統，來(lái)實(shí)際體驗一下。
圖2：ADI MAX30208評估系統（圖源：貿澤電子）
MAX30208屬于A(yíng)DI公司專(zhuān)門(mén)為醫療應用開(kāi)發(fā)的第三代健康傳感器平臺（Health Sensor Platform 3.0，簡(jiǎn)稱(chēng)HSP 3.0）中的產(chǎn)品，HSP 3.0還包含目前貿澤官網(wǎng)在售的模擬前端芯片MAX86176。MAX86176支持心電圖與血氧飽和度測量，精度達到臨床級水平。
在醫院測量心電圖（ECG）時(shí)，通常采用濕電極采集心電信號，濕電極在使用過(guò)程中需要涂上膏狀導電膠，因而得名濕電極，由于導電膠很容易干掉而影響測量結果，因而該方法不適合非專(zhuān)業(yè)人士操作，也不利于心電信號長(cháng)期監測。干電極的出現讓可穿戴設備實(shí)現心電測量功能成為可能，但在干電極采集法中，皮膚與電極之間的接觸導電性比濕電極低，且干電極對運動(dòng)偽影更敏感，易導致讀數不精確。MAX86176的ECG通道符合移動(dòng)心電圖設備國際標準IEC 60601-2-47要求，該通道內置高精度ADC，采用全差分輸入結構，在電力線(xiàn)頻率下共模抑制比超過(guò)110dB，完全具備支持干電極ECG應用的能力�，F在，該芯片在單導聯(lián)監護儀、單導聯(lián)無(wú)線(xiàn)貼片和胸帶心率監測儀中已得到廣泛應用。
MAX86176利用光電容積脈搏波法 (PPG) 來(lái)測量血氧，提供110dB信噪比 (SNR)，從而達到醫療級血氧飽和度檢測能力。對于光學(xué)和生物阻抗測量，分別需要發(fā)光二極管驅動(dòng)器發(fā)光和向體內激勵電流，在許多光學(xué)系統中，需使用不止一種波長(cháng)，所以多驅動(dòng)能力就很重要，MAX86176支持多達6顆LED和4個(gè)光敏二極管輸入，因而能夠適應不同測量場(chǎng)景的要求。MAX86176的PPG通道可支持檢測心率、血氧飽和度 (SpO2)、肌肉和組織氧飽和度 (SmO2和StO2)、身體含水量等參數，具備臨床級精度。
圖3：MAX86176亮點(diǎn)（圖源：ADI）
可穿戴設備對元器件體積要求很高，所以MAX86176這種多合一的高集成度芯片很受歡迎，MAX86176的下一代MAX86178就集成了三個(gè)測量系統，即光學(xué)、心電和生物阻抗，支持四種生命體征測量，即心電圖、血氧飽和度、心率和呼吸率，進(jìn)一步為多功能可穿戴設備的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)基礎。
圖4：ADI MAX86176 PPG和ECG模擬前端（圖源：貿澤電子）
貿澤官網(wǎng)在售的ADPD4000，則是ADI另一個(gè)可穿戴模擬前端“多面手”產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品有8個(gè)輸入通道，具有多種工作模式，可支持PPG、ECG、皮膚電活動(dòng)（EDA）、阻抗和溫度測量功能。
據了解，以ADI為代表的醫療電子芯片廠(chǎng)商，在提高集成度、增加功能和提升測量精度方面還在不斷精進(jìn)，以期為可穿戴用戶(hù)帶來(lái)更多更好的醫療級功能體驗。
續航能力
如前所述，便攜性是可穿戴產(chǎn)品的突出優(yōu)勢之一，但也為可穿戴產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)很多限制，要佩戴舒適，就要控制重量和體積，因而可穿戴設備的電池都比較小，要在極有限的電池容量下，滿(mǎn)足醫療健康等應用的正常使用強度要求，就需要從降低功耗和電池管理兩方面努力。
在低功耗設計方面，ADI的HSP 3.0平臺給了很好的示范作用，無(wú)論是MAX30208數字溫度傳感器，還是MAX86176模擬前端芯片，都充分考慮應用場(chǎng)景，極力控制工作電流與待機電流，與MAX30208一樣，MAX86176的待機電流也僅有0.5μA。
該平臺推薦的兩款超低功耗MCU，從系統設計角度充分考慮了設備的低功耗特性。MAX32670專(zhuān)用于傳感器管理，支持脈搏率、血氧飽和度、心率、呼吸率、睡眠質(zhì)量監測和壓力監測算法實(shí)現。MAX32670可配置為傳感器集中器（支持硬件和算法）或算法集中器（支持多種算法），無(wú)縫支持客戶(hù)所需的傳感器功能，包括管理MAX86176 PPG和ECG傳感器AFE，并為外部提供原始數據或處理過(guò)的數據。MAX32670在備份模式下全存儲空間保持功耗為2.6µA（供電電壓為1.8V），在僅RTC工作時(shí)功耗則只有350nA。
貿澤電子在售的另一款MCU-MAX32666則用于通信和主程序，該芯片支持低功耗藍牙（BLE）功能，包含兩個(gè)Arm®Cortex®-M4F核和附加SmartDMA，后者允許獨立運行BLE棧，使兩個(gè)主核用于運行主要任務(wù)。此外，該微控制器集成完整的安全套件和存儲器糾錯碼（ECC），大大提高了系統可靠性。MAX32666提供動(dòng)態(tài)電壓調節，極大地降低處理器核的運行功耗，支持從緩存執行程序，功耗可低至27.3μA/MHz @ 3.3V。此外，該器件還具有多種關(guān)斷模式，可有效延長(cháng)電池工作壽命，最低功耗模式下僅消耗1.2μA @ 3.3V。
更重要的是，在HSP 3.0中，ADI還為可穿戴設備提供專(zhuān)用電源管理芯片MAX20360，這是一顆高度集成的電池和電源管理芯片，同樣在貿澤電子有售。這顆芯片專(zhuān)門(mén)對醫療健康可穿戴應用做了優(yōu)化，芯片內集成了高精度ModelGauge™ m5 EZ電量計、靈敏的觸覺(jué)驅動(dòng)器，以及獨特的低噪聲升/降壓轉換器，極大地提高了信噪比，降低光學(xué)生物檢測所需功耗。
另一款貿澤電子在售的單輸入多輸出電源管理MAX77659，更是針對多功能可穿戴產(chǎn)品做了優(yōu)化。該器件只需要一個(gè)電感器，就可提供一個(gè)充電電壓和三個(gè)可獨立編程的電源電壓，從而極大地減小整體解決方案尺寸，多功能可穿戴設備的電源模塊物料用量最多可減少60%，設備尺寸可減少50%。
總結
醫療級可穿戴技術(shù)進(jìn)步提升了可穿戴設備測量結果的精度與可靠性，并使得可穿戴設備在集成更多功能的同時(shí)，兼具了功耗、尺寸和重量等方面的考量，從而保證了可穿戴設備上的醫療健康功能真正滿(mǎn)足臨床應用要求�？纱┐髟O備比任何其他設備都更貼近人體，所以除了電參數，可穿戴設備在開(kāi)發(fā)時(shí)還要考慮安全性和人體工學(xué)，需要從電子、材料與工業(yè)設計等多個(gè)領(lǐng)域來(lái)應對貼身要求帶來(lái)的各種技術(shù)挑戰，從而做到安全、防水防塵、佩戴舒適和耐用。
可以預期，隨著(zhù)可穿戴設備醫療功能的普及，可穿戴設備的價(jià)值將進(jìn)一步得到發(fā)揮，而醫療功能的廣泛應用也能更好地促進(jìn)相關(guān)元器件技術(shù)的發(fā)展。 |
