醫(yī)療智能穿戴設(shè)備硬件方案
發(fā)布時間:2021-07-07 來源:世健 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著互聯(lián)健康概念的興起,醫(yī)療智能穿戴設(shè)備市場逐漸擴(kuò)大,根據(jù)市場研究公司Counterpoint Research調(diào)查指出,疫情促使消費(fèi)者健康意識提高,這更使得醫(yī)療智能穿戴設(shè)備受到市場青睞,增長幅度不斷攀高。
本次我們通過技術(shù)型分銷商Exclpoint世健邀請了來自專業(yè)醫(yī)療智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域企業(yè)的工程師馮工跟大家分享實(shí)戰(zhàn)案例。該公司是世健多年的客戶,主要從事醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)。而馮工有著深厚的學(xué)術(shù)和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。
項(xiàng)目需求
● 可穿戴產(chǎn)品尺寸小,要求器件選型封裝小、集成度高;
● 超低功耗,可充電電池供電;
● 有連續(xù)監(jiān)測心率功能;
● 有連續(xù)監(jiān)測血氧飽和度功能;
● 計步功能,能存一個月以上的數(shù)據(jù)量,掉電不丟失。
● 心率監(jiān)測方案
心率監(jiān)測可基于心電信號檢測,人體心臟的周期性跳動是有生物電信號精密控制的,只要能夠捕捉到心電信號,就能計算心率,但是心電檢測需要獲取人體多處電位,硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、方案成本高。有一種方案是諧振式檢測方案,傳感器感應(yīng)動脈搏動的壓力變化,從而統(tǒng)計出心率。但該方案的實(shí)現(xiàn)需要將設(shè)備放置于人體脈搏明顯的部位,對于可穿戴設(shè)備佩戴方式將是一種挑戰(zhàn)。還有一種方案是光電式檢測,基本原理是血液會反射紅光而吸收綠光。心臟跳動時,流經(jīng)皮膚的血液會增加,吸收的綠光也會增加;心跳間隔期,血液在血管中流量減少隨之吸收綠光減少。當(dāng)設(shè)備使用綠色LED,配合對光敏感的光電傳感器,就可以檢測任意時間點(diǎn)流經(jīng)人體皮膚各處的血液流量,通過統(tǒng)計數(shù)據(jù),以每次血流量的最高點(diǎn)作為一次周期,這樣就可以計算心率。并且可以將設(shè)備設(shè)計成手表形態(tài),方便的戴于手腕處。
基于光電式的心率監(jiān)測方案(也稱光電容積脈搏波描記法PPG),硬件上需要有光源驅(qū)動、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理等模塊。一般光源驅(qū)動我們選擇恒流源(需要可以微調(diào)電流和一定的頻率開關(guān));光電轉(zhuǎn)換選擇光電二極管然后用運(yùn)放進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理;最后用A/D芯片實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換并送至MCU進(jìn)行處理。硬件方案如果采用分立器件,那么芯片數(shù)量較多,并且空間受限,所以最好還是采用集成器件。ADI公司擁有多功能光電式測量前端芯片(型號:ADPD105),完全集成式AFE、ADC、LED 驅(qū)動器和時序內(nèi)核, 提供一流的環(huán)境光抑制性能,無需光電二極管濾光器;靈活的數(shù)字接口SPI、I2C 可供選擇;功耗低,1.8 V模擬/數(shù)字超低工作電源,待機(jī)模式僅0.3μA電流,適合電池供電的設(shè)備;靈活的采樣頻率范圍:0.122 Hz ~3820 Hz;多達(dá)3個LED恒流源,每通道峰值電流達(dá)370mA;擁有WLCSP芯片級封裝,極致的小體積適合空間受限應(yīng)用。其內(nèi)部功能框圖如圖1。
圖1
血氧飽和度監(jiān)測方案
光電容積脈搏波描記法(PPG)不僅可以用于心率檢測,通過一定算法處理也可測量血氧,為無創(chuàng)式血氧監(jiān)測提供了很好的方案。
原理:由于氧合血紅蛋白(HbO2)和血紅蛋白(Hb)這兩種物質(zhì)對波長600 ~ 1000nm的光具有一定的吸收特性。Hb對600 ~ 800nm之間的光吸收系數(shù)更高,HbO2對800~1000之間光的吸收系數(shù)更高。所以可以利用紅光(600 ~ 800nm)和接近紅外(IR)(800 ~ 1000nm)的光分別檢測HbO2和Hb的PPG信號,再通過程序處理算出相應(yīng)的比值,這樣就得到了血氧值。
利用ADPD105其中兩通道LED恒流源分別驅(qū)動紅光LED和近紅外LED,另外一通道恒流源驅(qū)動綠光LED用于心率檢測,對于光接受器可以使用同一個,分時復(fù)用,分別去采集心率信號和血氧信號,在最少的器件下高效完成數(shù)據(jù)采集,綜合成本最低。另外近期關(guān)注的ADI新產(chǎn)品ADPD410X,是ADPD系列比較新的產(chǎn)品,它同時擁有8路LED驅(qū)動光路和8路的數(shù)據(jù)采集通道,更高的集成度和采樣精度,同時支持PPG,ECG和EDA的測量。它能作為本案的功能拓展方案。
計步功能方案
計步方案使用最多的就是三軸加速度傳感器,通過算法識別行走時的三軸動態(tài)數(shù)據(jù),即可實(shí)現(xiàn)計步功能。本方案是基于可穿戴設(shè)備,因此芯片的功耗、體積成為重要考慮因素。ADXL363是一款超低功耗的3個傳感器組合產(chǎn)品,由3軸MEMS加速度計、溫度傳感器和用于同步轉(zhuǎn)換外部信號的ADC輸入端組成。整個系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)速率為100 Hz時功耗低于2µA,在運(yùn)動觸發(fā)喚醒模式下功耗為270 nA;1.6~3.5V工作電源范圍,便捷的兼容其他器件的電源;ADXL363還提供針對內(nèi)部ADC的訪問,可同步轉(zhuǎn)換外部的模擬輸入。緊湊型的LGA封裝非常符合可穿戴式設(shè)備應(yīng)用。其內(nèi)部功能框圖如圖2。
圖2
MCU選型
本方案MCU選型需要兼顧高性能和低功耗。ADI公司的ADuCM3029擁有超低功耗特性:活動模式(完全開啟模式):< 30μA/MHz(典型值),休眠模式(帶SRAM保留):<750nA(典型值),關(guān)斷模式(可選RTC活動):<60nA(典型值);集成MPU的ARM® Cortex®-M3處理器,高性能內(nèi)核處理算法游刃有余;集成ECC的256 KB嵌入式閃存,方便存儲離線數(shù)據(jù);較低的電壓供電(1.74V至3.6V)可以允許使用紐扣電池;片內(nèi)外設(shè)SPI、UART、IIC、Timer、DAC、DMA、Watchdog應(yīng)有盡有,方便使用;內(nèi)置32kHz振蕩器和26MHz高頻振蕩器,也支持外部時鐘源;擁有兩種緊湊型WLCSP/LFCSP可供選擇,適用于體積空間受限的應(yīng)用。
另外可利用高性能的ADuCM4050作為高端升級版本的選擇,它擁有更好的性能和更低功耗在休眠和關(guān)斷模式下,在:活動模式(完全開啟模式):< 41μA/MHz(典型值),休眠模式(帶SRAM保留):<650nA(典型值),關(guān)斷模式(可選RTC活動):<50nA(典型值);ARM Cortex-M4F處理器,52 MHz,并帶FPU, MPU, ITM, SWD接口,兼容性更強(qiáng),EEC的升級至512KB,方便存儲更多的離線數(shù)據(jù);
電源方案
可穿戴式設(shè)備需要可充電電源,一般選用鋰電池,因此需要鋰電池管理芯片。LTC4065L是一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒流/恒壓線性充電器,由于外形尺寸小(DFN封裝2mm*2mm),能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)低充電電流,因而非常適用于低容量鋰電池;而且可以通過USB標(biāo)準(zhǔn)取電工作;還有強(qiáng)大的充電異常保護(hù)功能:自動再充電、低電池電量充電調(diào)節(jié)(涓流充電)、軟器動功能(用于限值涌入電流)。
方案中MCU、加速度傳感器、模擬前端芯片都可以工作在1.8V范圍,對于鋰電池的3.7V還需要LDO用于降壓。由于有模擬電路,故需選擇盡量低噪聲的LDO。LT 3042擁有超低噪聲0.8µVRMS(10 Hz~100 kHz),超高電源抑制比(最低79 dB @1MHz);超低的工作壓降(350mV);輸出可調(diào)(0~15V);緊湊型DFN封裝(3mm*3mm)。
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