Covid-19 為醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的商業(yè)化提供了新的推動(dòng)力。從用于檢測(cè)冠狀病毒早期癥狀的無(wú)線(xiàn)溫度感應(yīng)標(biāo)簽和貼片監(jiān)視器的開(kāi)發(fā)中可以明顯看出這一點(diǎn)。

最近的一個(gè)例子是 SkyWater Technology、Linear ASICs、SensiML 和 Upward Health 之間的合作。代工服務(wù)提供商 SkyWater Technology 最近與模擬芯片制造商 Linear ASIC 攜手，大規(guī)模生產(chǎn)具有溫度感應(yīng)功能的支持無(wú)線(xiàn)連接的 IC。

此次合作的其他合作伙伴是 QuickLogic 的子公司 SensiML Corp.，該公司為超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供軟件，以及 Upward Health，一家家庭和虛擬醫(yī)療保健服務(wù)提供商。該傳感器平臺(tái)最終將被集成到接觸追蹤應(yīng)用程序中，以檢測(cè) Covid-19 的早期癥狀。

EnSilica Ltd. 還生產(chǎn)了具有無(wú)線(xiàn)連接功能的單芯片醫(yī)療傳感器，適用于各種傳感器，包括心電圖 (ECG)、溫度、機(jī)電和生物阻抗傳感器。無(wú)線(xiàn)醫(yī)療傳感器 ASIC 平臺(tái)可以與多個(gè)處理器和 DSP 配置一起使用，并且作為一個(gè)選項(xiàng)，可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)加速器（例如 Arm Ethos-U55）來(lái)支持 AI 應(yīng)用程序。

傳感器芯片的專(zhuān)用模擬前端 (AFE) 與具有臨床級(jí)精度的單導(dǎo)聯(lián)和多導(dǎo)聯(lián) ECG 配合使用。它可以準(zhǔn)確測(cè)量心電圖、心率、呼吸頻率、溫度和脈搏血氧飽和度。

雖然上述傳感器芯片的推出表明可穿戴設(shè)計(jì)在醫(yī)療和保健用例中的吸引力越來(lái)越大，但開(kāi)發(fā)人員在使這些超薄設(shè)備成為設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)時(shí)面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是什么？本文擴(kuò)展了醫(yī)療可穿戴設(shè)計(jì)中的兩個(gè)主要問(wèn)題：集成問(wèn)題和光學(xué)設(shè)計(jì)。

集成難題雖然傳感器模塊廣泛用于解決超薄醫(yī)療可穿戴設(shè)備中的房地產(chǎn)和集成挑戰(zhàn)，但芯片制造商也在嘗試通過(guò)提供超緊湊的外形尺寸和支持一系列操作來(lái)簡(jiǎn)化傳感器 IC 與系統(tǒng)的集成。電壓。

以傳感器芯片制造商 ams 推出的數(shù)字溫度傳感器為例，AS6221無(wú)需校準(zhǔn)或線(xiàn)性化，并通過(guò) 8 個(gè) I 2 C 接口提供測(cè)量輸出。溫度傳感器 IC（采用 1.5 × 1-mm WLCSP 封裝）以 4 Hz 的輸出數(shù)據(jù)速率消耗 6 μA 電流，適用于健身監(jiān)測(cè)腕帶和智能手表。

據(jù) ams 稱(chēng)，AS6221 是業(yè)界最精確的數(shù)字溫度傳感器，在 20°C 至 42°C 的溫度范圍內(nèi)具有 ±0.09°C 的測(cè)量精度。據(jù)該公司稱(chēng)，其他溫度傳感器可以達(dá)到不超過(guò)±0.10°C的精度。

另一家傳感器芯片制造商 Integrated Device Technology (IDT) 現(xiàn)已成為瑞薩電子的全資子公司，該公司發(fā)布了一種生物傳感器模塊，以緩解醫(yī)療用例可穿戴設(shè)計(jì)中的集成問(wèn)題。OB1203模塊采用4.2 × 2 × 1.2-mm 封裝，包括兩個(gè) LED、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和一個(gè)在 I 2 C 總線(xiàn)上輸出所有傳感器數(shù)據(jù)的信號(hào)調(diào)節(jié)芯片。

除了測(cè)量心率和血氧水平的傳感器外，該模塊的附加傳感器還包括環(huán)境光傳感器、RGB 顏色傳感器、接近傳感器和脈搏血氧計(jì)生物傳感器。此外，該設(shè)計(jì)平臺(tái)具有臨床級(jí)心率和血氧飽和度 (SpO 2 ) 算法以及易于定制的 Android 應(yīng)用程序，并且需要三個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)才能運(yùn)行。

增強(qiáng)的光學(xué)設(shè)計(jì)IDT 聲稱(chēng)其新傳感器模塊的價(jià)值主張之一是其光學(xué)增強(qiáng)。這也是Maxim Integrated 推出的健康傳感器平臺(tái) 3.0 (HSP 3.0 ) 的重點(diǎn)。增強(qiáng)的光學(xué)架構(gòu)顯著提高了消費(fèi)者和監(jiān)管批準(zhǔn)的臨床設(shè)備中傳感器的信號(hào)采集質(zhì)量。

HSP 3.0 平臺(tái)使可穿戴設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)心臟和呼吸問(wèn)題，以管理慢性阻塞性肺病、Covid-19 等傳染病、睡眠呼吸暫停和心房顫動(dòng)等疾病。除了基于手腕的可穿戴設(shè)備外，該參考設(shè)計(jì)還可用于其他干電極形式，如胸貼和智能戒指。

MAXREFDES104#——HSP 3.0 參考設(shè)計(jì)的部件號(hào)——聲稱(chēng)可以節(jié)省至少六個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。它有利于監(jiān)測(cè)心電圖、心率、SpO 2和體溫的可穿戴設(shè)備。

HSP 3.0 參考設(shè)計(jì)中的傳感器板包含一個(gè) AFE，該 AFE 將 PPG 和 ECG 測(cè)量集成在單個(gè)芯片中。（來(lái)源：Maxim Integrated）

Maxim Integrated 工業(yè)與醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部董事總經(jīng)理 Andrew Baker 表示，醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光機(jī)械設(shè)計(jì)。這包括 LED 和光電探測(cè)器的布置。

因此，參考板已經(jīng)實(shí)施了過(guò)去幾年在組件相對(duì)于彼此的放置方面獲得的知識(shí)。它在底部放置了三個(gè)光電探測(cè)器。兩個(gè)光電探測(cè)器專(zhuān)注于使用綠色 LED 捕捉心率，而第三個(gè)距離 LED 較遠(yuǎn)的光電探測(cè)器用于血液飽和度測(cè)量。

“光學(xué)設(shè)計(jì)完全取決于信噪比 [SNR]，而提供 110 dB SNR 的 MAXREFDES104# 對(duì)于同時(shí)進(jìn)行兩次測(cè)量至關(guān)重要，”Baker 補(bǔ)充道。傳感器板上的 AFE 結(jié)合了 ECG 和光學(xué)功能，以前在兩個(gè)獨(dú)立的芯片上實(shí)現(xiàn)。

這意味著可穿戴設(shè)計(jì)可以執(zhí)行同步 PPG 和 ECG 測(cè)量，即使采用獨(dú)立的采樣率；它還可以實(shí)現(xiàn)更多的功率優(yōu)化。AFE 芯片MAX86176提供 110 dB 的 SNR，為干電極 ECG 應(yīng)用增加 SpO 2?飽和能力和超過(guò) 110-dB 的共模抑制比。

拆箱后，工程師可以在幾分鐘內(nèi)使用藍(lán)牙低功耗加密狗將其加載到 PC 上，并開(kāi)始從傳感器板傳輸數(shù)據(jù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。它帶有源代碼設(shè)計(jì)文件，因此設(shè)計(jì)人員可以采用該平臺(tái)并根據(jù)他們的特定用例對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

如前所述，這些功能可以為可穿戴設(shè)計(jì)工程師節(jié)省長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間。但是，如果工程師沒(méi)有光學(xué)設(shè)計(jì)以及電極設(shè)計(jì)和心電圖方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，則可能需要六個(gè)月以上的時(shí)間。

審核編輯 黃昊宇