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醫療保健和健身領域的可穿戴市場正在快速增長。本文重點介紹目前業內具有創新和教育意義的信息，幫助設計者理解理論原理以及該領域的設計工具。 首先從我最近對Maxim Integrated的一次訪問開始，我有幸參觀了他們的演示實驗室。參觀期間，眾多演示中的兩個演示讓我感到非常驚喜，那是兩個非常重要的醫療保健和健身可穿戴設備，利用這些設備，設計者能夠縮短其設計時間，將其產品快速推向市場。 在討論設計工具之前，我們首先了解一下推動可穿戴設備走入我們日常生活的最新技術、原理以及電子科技。 流電皮膚反應(GSR) 流電皮膚反應(GSR)是眾多皮電反應(EDR)的一種。EDR是指環境事件與人類心理狀態的相互作用引發的人體皮膚的電特性變化。人體的皮膚是一種相當好的電導體。當向皮膚施加小電流時，其傳導率會發生可測的變化。我們可測量多種變量，例如皮膚電阻或電導系數，及其倒數。所以，如果利用歐姆定律，R是皮膚電阻，等于皮膚上兩個電極之間施加的電壓(V)除以通過皮膚的電流(I)，即R= V/I，正如EE101中所述。圖1所示為某種激勵的典型GSR反應。 圖1：典型GSR反應 GSR也被應用于醫療、測謊以及健康監測領域。 圖2：圖中所示為MAXREFDES73#的移動app GUI屏幕截圖，這是一款可穿戴的電池供電移動式皮電反應(GSR)系統，采用MAX32600健康測量微控制器。 GSR放大器 GSR的關鍵是費勒效應，即皮膚受到激勵后其電導率發生的變化。 GSR放大器的角色是向皮膚施加恒定電壓，該電壓非常小，甚至穿戴者都感覺不到。這是通過微小的電極實現的。然后電流通過皮膚并被接收器檢測到，經過處理后被用于向用戶顯示各種參數。 放大器輸出電壓需要恒定并且確定，所以在測得通過皮膚的電流后，GSR放大器即可確定以μS或微西為單位的皮膚電導。 皮膚電導 有兩種類型的皮膚電導：基礎電導和相位電導。 基礎電導是指無任何環境激勵下的皮膚電導基線，也稱為皮膚電導水平(SCL)。我們的SCL范圍為10至50 μS。這些SCL水平隨時間發生變化，取決于我們的自主神經系統調節和生理狀態。 相位電導隨事件發生變化，也稱為GSR。嗅覺、聽覺、視覺等環境刺激將造成我們的皮膚電導發生時間相關的變化。這些就是所謂的皮膚電導反應(SCR)。這些SCR會造成皮膚電導升高，持續10或20秒，然后恢復到SCL基線，也就是基礎電導水平。 可測量及利用的事件相關GSR參數有幅值(單位為微西)和延遲、上升時間和半恢復時間，單位為秒。 GSR和心血管系統 我們首先來了解一下如何利用歐姆定律建立循環模型。血壓(BP)、心輸出量(CO)和總外周阻力(TPR)分別類似于電壓(V)、電流(I)和電阻，參見下圖3。正常年輕人的血壓曲線表示心臟收縮BP、心臟舒張BP、脈壓和平均動脈壓之間的關系。1A所示為BP、CO和TPR之間的關系。從1B可看出，心臟收縮BP (SBP)和舒張BP (DBP)分別是每個心跳周期中的最大和最小BP值。脈壓(PP)為SBP與DBP之差。平均動脈壓(MAP)大約為DBP加1/3 PP。 圖3：血壓(BP)、心輸出量(CO)和總外周阻力(TPR)分別類似于電壓(V)、電流(I)和電阻。 在INDICON，工程師展示了如何預測嚴重高血壓的例子2。可以開發醫療和健身設備來監測圖4所示的任意及全部參數，然后設計公司可根據其目標市場的需求來增加其他“特殊功能”。 圖4：可以開發醫療和健身設備來監測圖中所示的任意及全部參數。 流電皮膚反應及Maxim MAXREFDES73# 現在，利用Maxim的MAXREFDES73#參考設計，可穿戴設備開發者可立即評估GSR檢測。利用Android移動設備，通過藍牙低功耗(BLE)無線接口，用戶能夠在20m范圍內監測其皮膚電阻和溫度。 我家里有一套這樣的演示設備，我對其有效性以及設置容易、操作簡單等方面印象深刻。我明白了這套完備的演示系統為什么不僅能夠幫助醫療和健身可穿戴設備開發者理解GSR以及其他非常重要的監測原則，而且能夠大幅縮短設計者寶貴的開發時間，幫助其實現上市時間目標。圖5所示為完整的系統示意圖，圖6~圖8所示為基本模塊。 圖5：MAXREFDES73#參考設計框圖。MAX32600包含模擬前端(AFE)、ADC和DAC。 圖6：手表的正面，其中包括電子器件和電池。 圖7：手表的背面，圖中所示為皮膚接觸電極。 圖8：Maxim Integrated #MAXREFDES73# GSR參考設計。 該平臺由電池供電，可進行高精度交流阻抗測量，同時功耗極低。MAX32600微控制器采用ARM Cortex-M3 32位RISC CPU，工作在高達24MHz，并集成多種高性能模擬外設。 模擬特性包括帶PGA的16位ADC、兩個12位DAC和一個16通道多路復用器，以及經典的數字特性，例如256KB閃存、32KB SRAM和2KB指令緩存。參考設計提供高性能、靈活的開發平臺，是眾多健康和醫療測量應用的基礎，尤其是皮電反應測量。 參考設計為腕帶式單元，由LIR2032可充電紐扣電池供電。支持Android設備的移動應用程序提供接口，手表通過藍牙低功耗無線接口與Android設備進行通信。 測試結果、硬件文件和固件源代碼提供完整的設計文檔。該完備的腕帶式單元是設計者的必備之物，將幫助設計者快速將可靠產品推向市場。 交流阻抗測量 為完整起見，我認為本文中應該包含以下關于交流阻抗測量的詳細介紹。 MAXREFDES73#設置為進行交流阻抗測量，參見圖9。12位DAC產生正弦波激勵信號，峰-峰值為1V。微控制器DMA引擎使直接數字合成成為可能。DAC0輸出信號經過運放緩沖，第二個運放用于構成二階低通濾波器(LPF1)。利用電容(未標出)阻隔激勵信號的直流成分。四個內部SPST開關動態地將負載重新配置為校準通路或人體皮膚負載。ADC輸入之前的8位DAC (未標出)產生共模偏置電壓。LPF2中的RC組合構成一階LPF和增益控制。最后，ADC之前的RC組合構成LPF，同時也作為抗混疊濾波器。 圖9：圖中所示為MAXREFDES73#交流阻抗測量的方框圖。 本例中，手腕的皮膚是輸入電路中反相放大器的輸入阻抗的一部分。相干正弦信號激勵電路，利用數字基帶正交采樣接收器持續檢測響應，以檢測網絡響應的幅值和相位。已知的校準通路為內置，也對其進行測量；系統利用這兩種響應確定皮膚的復阻抗。 接下來，根據測試負載與校準通路的響應之比，只需很低的功耗即可精確確定復阻抗。 為了測量特定頻率(FC)下的阻抗，向測試負載施加正弦電壓，所以x(t) = cos(2πx FC x t)。 然后對ADC的輸出進行放大和移相，得到y(t) = VL x cos(2π x t + θ)。 為了提取接收信號的相位，我們需要進行相干檢測。現在，如果ADC能夠與DAC輸出(交流激勵)同步，即實現數字基帶正交采樣。此時，采樣率為激勵頻率的4倍，如圖10所示。 圖10：MAXREFDES73# ADC正交采樣。 數字基帶正交采樣一般在頻域表示；但對于交流阻抗測量，在時域表示更好。下式所示為從y(t)得到實分量I和復分量Q的過程。 y(t) = VL × cos(2π Fc × t + θ) TS = 1/(4 × Fc) y(k) = VL× cos(π/2 × k + θ) kΣ {0, 1, 2, ...N - 1} y(k) = VL[cosθ, cos(π/2 + θ), cos(π + θ), cos(3π/2 + θ), ...] y(k) = VL[cosθ, - sinθ, - cosθ, sinθ, ...] 為了計算復阻抗，我們感興趣的是提取幅值和相位信息： VLejθ = VLcos(θ) + jVLsin(θ) = I + JQ 通過觀察，前2次ADC采樣得到I和Q： I = VLcos(θ) = y(0) Q = VLsin(θ) = y(1) 我們可將ADC采樣進行分組(偶/奇)并利用±1進行調制，產生實分量I和復分量Q的多個觀察。因為我們處理的是單頻，可以對這些輸出進行平均，以提高測量的信噪比(SNR)，如下式所示： 其中N是ADC采樣的數量，為4的整數倍。 相位 = θ = atan2(Q,I) 幅值 = VL = √(I2 + Q2) 復阻抗(Z(s))是在特定頻率下利用校準負載(Ycal(s))以及被測負載(Ysys(s))的采樣測得的。根據響應之比以及兩個外部電阻Ri和Rcal ，可得到測試頻率下的負載復阻抗： (Ri + Z(s))/Rcal = Ycal(s)/Ysys(s) 可推導出負載阻抗的幅值和相位： Z(s)magnitude = Rcal × (Ycal(s)magnitude/Ysys(s)magnitude) - Ri Z(s)phase = Ycal(s)phase - Ysys(s)phase 對于該參考設計，我們對皮膚阻抗的幅值更感興趣，所以僅發送幅值數據，并在移動應用程序的圖形用戶界面上進行顯示。在參考設計固件中，也計算相位數據，以便用戶用于特殊的應用中。 圖11：健康手表的完整功能。 可穿戴設備演示及平臺 健康手表演示平臺 健康手表演示平臺是一套包含算法的完備系統： ·連續心率(光) ·脈搏血氧(光) ·溫度(電) ·含水量(電) ·運動(MEMS) ·連通性(藍牙) 平臺包括MAX66242 NFC Chip，集成安全功能： MAX66242是傳感器接口的關鍵部分，具有無限連接功能，采用RFID技術。該器件用于醫療傳感器安全認證和校準。NFC體溫計和脈搏血氧儀使用的就是該器件。見圖12和圖13。 NFC體溫計演示平臺 圖12：NFC體溫計作為數字溫度計。 該器件具有如下特性： ·非接觸 ·能量收集 ·安全認證 ·獨立使用；無污染 圖13：NFC體溫計設計的系統框圖。 脈搏血氧儀演示平臺（圖14） 圖14：脈搏血氧儀。 該器件具有如下特性： ·實時監測 ·長電池壽命 ·非接觸：較低污染風險 Fit 2監護服演示平臺 該監護服為總體EKG/健身平臺。參見圖15~圖18。 圖15：Fit 2襯衫。 該系統具有如下特性： ·移動式、實時分析 ·適用于從運動員到病人的各種人群 ·相對于Fit Shirt 1，提高了測量精度、電池壽命以及系統尺寸 圖16：Fit 2襯衫的完整功能。 圖17：Fit 2襯衫技術采用了Maxim Integrated的技術。 圖18：Maxim健康平臺參考設計系統的基本框圖。該系統結構涵蓋了健康手表、脈搏血氧儀和Fit 2襯衫演示平臺。Sarvint擁有以下系統的設計專屬權：健康手表、Fit 2襯衫、體溫計、脈搏血氧儀。 |
