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如何构建可穿戴设备核心能力护城河?

来源:医疗设备商情 发布时间:2022-06-09 959
医疗与医药医疗设备合约制造服务医疗电子组件制造设备材料包装及消毒其他测试、计量、检验和校准设备及用品研发与设计服务 应用及案例
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做好生命体征监测很关键

根据国际数据信息(IDC)最新报告数据,2021年中国可穿戴市场出货量近1.4亿台,同比增长25.4%。有趣的是,尽管可穿戴市场整体上升,但手表、手环却呈冰火两重天之势:手表市场出货量3,956万台,同比增张21.4%;手环市场出货量1,910万台,同比下降26.3%。


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致使智能手表不断抢占智能手环市场的原因十分明显——两者起初都是作为手机的功能延伸出现,但智能手表凭借着更大的尺寸和屏幕,能够集成更多功能以及测量更多生命体征和健康指标,例如体温、心率、呼吸、血氧饱和度(SpO2)、血压和身体成分等,自然就获得了在近年疫情下越发关注健康问题的消费者青睐。如何完成精准且多参的生命体征监测(VSM)方案设计已成为工程师需要面对的全新挑战。


就技术维度而言,有关生命体征的解决方案可以概括为PPG、ECG、Bio-Z三种技术。PPG技术指的是无感监测,也就是说无需使用者参与,在比较友好的条件下便可得到所需数据。常见的PPG应用有心率、血氧、呼吸和连续血压监测等。第二种是ECG技术,这是医院检查中大家较为熟悉的监测技术,过去只有在可穿戴设备的高端旗舰产品上看到此功能,但现在越来越多的中低端产品也融入了这个设计。第三种是Bio-Z,这是一种阻抗监测技术,目前比较新的尝试是聚焦在BIA(体脂监测)和GSR/EDA(情绪监测)方面。


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可穿戴设备的技术发展趋势


结合上述可穿戴设备的技术发展,ADI概括出了三大趋势: 健康手环,实现对PPG、SPO2(血氧饱和度)、ECG和生理阻抗的监测;智能手表,这类设备可以显示更多参数,同时实现对PPG、ECG、皮肤阻抗等多参数监测;可穿戴深入健康互动,实现对情绪压力、无创血压的持续监测。如图所示,ADI提供的ADPD108X、ADPD410X、AD5940等产品方案已经助力踏实了第一、二步,并向着第三步趋势迈进。

参数测量多面手ADPD4000


生命体征监测方案通常需要测量多个参数,在“寸土寸金”的设备上自然不可能每种测量都使用单独的芯片或传感器。ADPD410x 是ADI打造的一款医疗级多参数产品,主要用于可穿戴产品的功能设计,目标是集成更多功能,多方位进行生命体征的监测,比如同时进行PPG、血氧以及ECG、阻抗、体温的测量等。


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ADPD4000系列的功能框图


AD594x的高级功能框图


ADPD4000实现了高达105dB的信噪比,集成了8个LED驱动器,其中 4个LED可同时驱动,每个驱动器能够同步提供200mA电流,总LED 峰值驱动电流达400mA。该前端围绕两个相同的接收通道设计而成,可以同步进行采样。每个通道均以差分方式构建,因此可以在单端或差分测量模式下测量任何传感器输入。输入级是一个具有可编程增益的跨阻放大器,其后接一个带通滤波器和一个积分器,能够进行每个采样7.5 pC的积分。其ADC是一款14位逐次逼近寄存器(SAR)转换器,最大采样速率为1 MSPS。每个信号链的前面是一个8通道多路复用器,使模拟前端可以灵活地将各种传感器信号路由至AFE。


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同时进行ECG 和PPG 测量以估测血压


目前的应用需要的LED通道越来越多,比如测量血氧需要红外和红光;连续血压监测需要对多种光源进行驱动,多通道LED驱动提供了这种测试可能。ADPD410x具备八通道模拟输入,可以同时测量PPG和ECG,支持外部信号输入,比如体温信号的输入。有两个独立的数据信号链路电路,每个信号链路独立控制,可以配置为模拟或差分输入,直接差分测量支持ECG测量。将一个或多个驱动器输出用作激励进行阻抗测试,可在执行生物电测量时测量皮肤阻抗。ADPD410x提供时分复用的十二个采样时隙,每个采样时隙支持1个参数/功能的测量,数据输出和功能配置采用串行接口(SPI/I2C)。此外,该芯片还支持辅助输入,可测量电容和温度。使用ADPD4000这样的芯片,就可以创建一个非常节能、小尺寸、经济高效的可穿戴VSM系统。

新兴应用能手:阻抗测量AD5940


目前市面上常见的VSM测量参数多在如体温、心率、呼吸、血氧饱和度,对于利用阻抗测量应用的BIA、GSR和EDA等在手可穿戴设备应用中不算广泛,尚未形成主流,但伴随着健身风潮以及人们对心理健康的不断重视,可穿戴阻抗检测无疑大有可为。


用于人体阻抗分析的4线测量


ADI公司推出的AD5940是一款高精度、超低功耗模拟前端(AFE)系统,专为测量皮肤阻抗和人体阻抗而设计,旨在激励和测量传感器的电流、电压或阻抗响应。AD5940内部集成了DAC信号作为激励源,一个是低功耗激励环路,激励源能够产生直流至200Hz的频率信号,EDA/GSR的检测工作在这个环路下。另一个是高性能环路,激励环路包括200KHz的激励源,适用于高精度要求场合,比如体脂测量。AD5940数字部分集成了专用DFT用于数字处理。这款芯片的最大特点是实现了功耗和性能的卓越均衡。


皮肤阻抗监测采用伏安法测量,可以将AD5940理解为阻抗测量回路,幅度和频率均可调的激励源通过电极作用于人体,通过皮肤阻抗的电流和阻抗两端的电压而得到阻抗的变化值,其中电流经过ADC再执行DFT。人的精神状态变化时阻抗也会发生相应的变化,两周之间的关系并没有直接公式,因此该测量通常与心率和/或心率变异性等其他测量并行进行。需要开发一种算法来将各种测量结果转化为心理压力水平。


将EDA/GSR技术用于压力监测需要连续的全天候测量,AD594x就是为此而专门设计的。输出数据速率为4 Hz时,功耗<80 μA。EDA/GSR测量也可以用于睡眠分析等应用。BIA体脂测量需要四电极。在设备上设置四个或更多电极颇具挑战性,AD5940接收带宽高达50 kHz且信噪比(SNR)为100 dB,巧妙地解决了多电极问题,内部的切换开关将同一电极通过切换实现了电极共享。在下图所示的4线测量法的原理框图中,可以看到阻抗通过电阻和电容与测量前端隔离。电阻限制了可流过人体的最大电流。CISO确保在电极与地或其他电极之间不会产生直流信号,满足医疗安全标准IEC 60601的要求之一。

来源:ADI


来源:荣格-《医疗设备商情》

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