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來源：貿澤電子 作者：Doctor M 從手環、智能手表到TWS耳機，可穿戴設備市場總有爆款出現，從而市場熱度持續高漲。目前，可穿戴設備的年出貨量已超過個人電腦，成為元器件廠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品的主打功能，據市場研究機構Yole的統計數字顯示，2019年全球可穿戴醫療健康產品出貨量達到3.47億件，該機構預測，到2025年可穿戴醫療健康產品出貨量有望超過7.5億件，比2019年翻倍。 進入2022年，傳感器與芯片的小型化與多功能集成，將進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性將進一步加強；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。總之，可穿戴設備將向著功能更豐富、形態更多樣、指標更精準、續航時間更長等方向發展，在社交網絡、醫療健康、導航、商務和新媒體等眾多領域發揮更大的作用。 可穿戴設備數據可被醫學臨床接受 當前，可穿戴設備的運動記錄、健身指導等運動健康功能已經被普遍接受，例如常見的手環與手表產品，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。隨著技術進步，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現，標志著可穿戴設備開始為醫生臨床診療提供可參考的數據來源。 自2019年新冠疫情爆發以來，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、發病檢測、在家監護等功能，為患者提供了省時、便捷又省錢的醫療監測方案。智能穿戴設備的特點是可檢測的數據越多越能為用戶帶來價值，所以即便將來恢復正常生活秩序，可穿戴醫療設備也將發揮越來越重要的作用。 可穿戴設備可隨身攜帶的特點有利于對無需臥床的患者身體狀況進行長期監測，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典型案例。心房顫動（簡稱房顫）是極為常見的持續性心律失常，房顫時心房以遠高于正常心跳的節奏不規則跳動，心房失去了協調有效的收縮和舒張，易引發心力衰竭、腦梗塞，甚至會導致猝死，一旦患上房顫，中風的風險會比正常人高五倍。但如果能夠早發現、早治療，可以很好地控制房顫影響，甚至痊愈。但發現房顫的主要困難是部分患者在房顫未發生的時候沒有任何癥狀，這部分患者占比約一半，針對房顫無癥狀人群，廣泛篩查是唯一可信賴的方法，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、呼吸病醫學臨床診療中采納，血氧飽和度（SpO2）過低，往往意味著有心力衰竭、慢性肺病、睡眠暫停癥等疾病，尤其新冠疫情爆發以后，醫療機構也建議通過監測患者血氧飽和度來判斷病情嚴重程度。 在糖尿病管理方面，患者可通過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 要滿足醫療級應用，對可穿戴設備中的關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，可長時間工作。 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。由于元器件工作時本身會發熱，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，待機時消耗的電流為0.5 μA，低工作電流保證了芯片本身散發出的熱量較低。此外，芯片熱量由封裝底部引腳散發出來，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，可以在貿澤官網購買MAX30208評估系統，來實際體驗一下。
圖2：ADI MAX30208評估系統（圖源：貿澤電子） MAX30208屬于ADI公司專門為醫療應用開發的第三代健康傳感器平臺（Health Sensor Platform 3.0，簡稱HSP 3.0）中的產品，HSP 3.0還包含目前貿澤官網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，通常采用濕電極采集心電信號，濕電極在使用過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業人士操作，也不利于心電信號長期監測。干電極的出現讓可穿戴設備實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，且干電極對運動偽影更敏感，易導致讀數不精確。MAX86176的ECG通道符合移動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，在電力線頻率下共模抑制比超過110dB，完全具備支持干電極ECG應用的能力。現在，該芯片在單導聯監護儀、單導聯無線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。對于光學和生物阻抗測量，分別需要發光二極管驅動器發光和向體內激勵電流，在許多光學系統中，需使用不止一種波長，所以多驅動能力就很重要，MAX86176支持多達6顆LED和4個光敏二極管輸入，因而能夠適應不同測量場景的要求。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（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就集成了三個測量系統，即光學、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，進一步為多功能可穿戴設備的開發提供了技術基礎。
圖4：ADI MAX86176 PPG和ECG模擬前端（圖源：貿澤電子） 貿澤官網在售的ADPD4000，則是ADI另一個可穿戴模擬前端“多面手”產品系列，該產品有8個輸入通道，具有多種工作模式，可支持PPG、ECG、皮膚電活動（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，以期為可穿戴用戶帶來更多更好的醫療級功能體驗。 續航能力 如前所述，便攜性是可穿戴產品的突出優勢之一，但也為可穿戴產品開發帶來很多限制，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、睡眠質量監測和壓力監測算法實現。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），無縫支持客戶所需的傳感器功能，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Arm®Cortex®-M4F核和附加SmartDMA，后者允許獨立運行BLE棧，使兩個主核用于運行主要任務。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提供動態電壓調節，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斷模式，可有效延長電池工作壽命，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。這顆芯片專門對醫療健康可穿戴應用做了優化，芯片內集成了高精度ModelGauge™ m5 EZ電量計、靈敏的觸覺驅動器，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品做了優化。該器件只需要一個電感器，就可提供一個充電電壓和三個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 醫療級可穿戴技術進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，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足臨床應用要求。可穿戴設備比任何其他設備都更貼近人體，所以除了電參數，可穿戴設備在開發時還要考慮安全性和人體工學，需要從電子、材料與工業設計等多個領域來應對貼身要求帶來的各種技術挑戰，從而做到安全、防水防塵、佩戴舒適和耐用。 可以預期，隨著可穿戴設備醫療功能的普及，可穿戴設備的價值將進一步得到發揮，而醫療功能的廣泛應用也能更好地促進相關元器件技術的發展。 |
