從手環(huán)、智能手表到TWS耳機，可穿戴設(shè)備市場總有爆款出現(xiàn)，從而市場熱度持續(xù)高漲。目前，可穿戴設(shè)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(yīng)用方向之一，其中醫(yī)療健康更已成為可穿戴產(chǎn)品的主打功能，據(jù)市場研究機構(gòu)Yole的統(tǒng)計數(shù)字顯示，2019年全球可穿戴醫(yī)療健康產(chǎn)品出貨量達到3.47億件，該機構(gòu)預(yù)測，到2025年可穿戴醫(yī)療健康產(chǎn)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(shè)備的便攜性，或改善可穿戴設(shè)備的持續(xù)續(xù)航時間；智能可穿戴設(shè)備與智能家電等手機之外其他設(shè)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(shè)備采用；獨立通信功能將逐漸成為智能手表標配�？傊�，可穿戴設(shè)備將向著功能更豐富、形態(tài)更多樣、指標更精準、續(xù)航時間更長等方向發(fā)展，在社交網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療健康、導(dǎo)航、商務(wù)和新媒體等眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)可被醫(yī)學(xué)臨床接受
當前，可穿戴設(shè)備的運動記錄、健身指導(dǎo)等運動健康功能已經(jīng)被普遍接受，例如常見的手環(huán)與手表產(chǎn)品，都具備測量心率、步頻等指標的功能，但這些數(shù)據(jù)通常不能用于臨床。隨著技術(shù)進步，更多醫(yī)療級監(jiān)測功能正在被加入到可穿戴設(shè)備中，例如對血壓、血氧和心電圖的測量，這些醫(yī)療級功能的實現(xiàn)，標志著可穿戴設(shè)備開始為醫(yī)生臨床診療提供可參考的數(shù)據(jù)來源。
自2019年新冠疫情爆發(fā)以來，全球各地先后出現(xiàn)醫(yī)療資源緊張的情況，去醫(yī)院的流程也變得更加繁瑣，因而居家醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備受到市場歡迎，利用可穿戴醫(yī)護設(shè)備，患者可以監(jiān)控自己的體溫、血氧、心率和呼吸，并可將數(shù)據(jù)定期傳送給指定醫(yī)院，從而完成預(yù)測篩查、發(fā)病檢測、在家監(jiān)護等功能，為患者提供了省時、便捷又省錢的醫(yī)療監(jiān)測方案。智能穿戴設(shè)備的特點是可檢測的數(shù)據(jù)越多越能為用戶帶來價值，所以即便將來恢復(fù)正常生活秩序，可穿戴醫(yī)療設(shè)備也將發(fā)揮越來越重要的作用。
可穿戴設(shè)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(jiān)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(fēng)險的慢性病管理大有幫助。
圖1：遠程病人監(jiān)護應(yīng)用案例（圖源：ADI）
房顫篩查（AFib）就是可穿戴心電設(shè)備醫(yī)療應(yīng)用的一個典型案例。心房顫動（簡稱房顫）是極為常見的持續(xù)性心律失常，房顫時心房以遠高于正常心跳的節(jié)奏不規(guī)則跳動，心房失去了協(xié)調(diào)有效的收縮和舒張，易引發(fā)心力衰竭、腦梗塞，甚至?xí)䦟?dǎo)致猝死，一旦患上房顫，中風(fēng)的風(fēng)險會比正常人高五倍。但如果能夠早發(fā)現(xiàn)、早治療，可以很好地控制房顫影響，甚至痊愈。但發(fā)現(xiàn)房顫的主要困難是部分患者在房顫未發(fā)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(xiàn)在心電貼等消費級心電設(shè)備就可以做早期房顫篩查，檢測結(jié)果也得到了醫(yī)學(xué)臨床的認可。
可穿戴設(shè)備的血氧測試結(jié)果也逐漸在肺病、呼吸病醫(yī)學(xué)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(fā)以后，醫(yī)療機構(gòu)也建議通過監(jiān)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(xù)血糖監(jiān)測儀給出的數(shù)據(jù)，更有效地管理自己的健康狀況，而根據(jù)連續(xù)的測量數(shù)據(jù)，醫(yī)生就能給患者提出更準確、更有效的治療方案。
醫(yī)療級指標與小體積兼得
要滿足醫(yī)療級應(yīng)用，對可穿戴設(shè)備中的關(guān)鍵元器件就提出了新要求：既要適應(yīng)傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備“輕薄短小”的尺寸要求，又要符合醫(yī)療級應(yīng)用高精度、高可靠的指標要求，還要考慮到低功耗、續(xù)航力，可長時間工作。
醫(yī)療級應(yīng)用首先要有醫(yī)療級精度，以體溫檢測為例，臨床級精度要達到體溫范圍內(nèi)±0.1℃的精度。ADI公司的MAX30208數(shù)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(nèi)具有±0.1℃的精度，在0℃至+70℃范圍內(nèi)具有±0.15℃ 的精度。由于元器件工作時本身會發(fā)熱，因而排除元器件熱干擾就是臨床級測溫設(shè)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(fā)出的熱量較低。此外，芯片熱量由封裝底部引腳散發(fā)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(mào)澤官網(wǎng)購買MAX30208評估系統(tǒng)，來實際體驗一下。
圖2：ADI MAX30208評估系統(tǒng)（圖源：貿(mào)澤電子）
MAX30208屬于ADI公司專門為醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)的第三代健康傳感器平臺（Health Sensor Platform 3.0，簡稱HSP 3.0）中的產(chǎn)品，HSP 3.0還包含目前貿(mào)澤官網(wǎng)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(yī)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(dǎo)電膠，因而得名濕電極，由于導(dǎo)電膠很容易干掉而影響測量結(jié)果，因而該方法不適合非專業(yè)人士操作，也不利于心電信號長期監(jiān)測。干電極的出現(xiàn)讓可穿戴設(shè)備實現(xiàn)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(dǎo)電性比濕電極低，且干電極對運動偽影更敏感，易導(dǎo)致讀數(shù)不精確。MAX86176的ECG通道符合移動心電圖設(shè)備國際標準IEC 60601-2-47要求，該通道內(nèi)置高精度ADC，采用全差分輸入結(jié)構(gòu)，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(yīng)用的能力。現(xiàn)在，該芯片在單導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護儀、單導(dǎo)聯(lián)無線貼片和胸帶心率監(jiān)測儀中已得到廣泛應(yīng)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(yī)療級血氧飽和度檢測能力。對于光學(xué)和生物阻抗測量，分別需要發(fā)光二極管驅(qū)動器發(fā)光和向體內(nèi)激勵電流，在許多光學(xué)系統(tǒng)中，需使用不止一種波長，所以多驅(qū)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(yīng)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(shù)，具備臨床級精度。
圖3：MAX86176亮點（圖源：ADI）
可穿戴設(shè)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(tǒng)，即光學(xué)、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(shè)備的開發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
圖4：ADI MAX86176 PPG和ECG模擬前端（圖源：貿(mào)澤電子）
貿(mào)澤官網(wǎng)在售的ADPD4000，則是ADI另一個可穿戴模擬前端“多面手”產(chǎn)品系列，該產(chǎn)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(jù)了解，以ADI為代表的醫(yī)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(yī)療級功能體驗。
續(xù)航能力
如前所述，便攜性是可穿戴產(chǎn)品的突出優(yōu)勢之一，但也為可穿戴產(chǎn)品開發(fā)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(shè)備的電池都比較小，要在極有限的電池容量下，滿足醫(yī)療健康等應(yīng)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(shè)計方面，ADI的HSP 3.0平臺給了很好的示范作用，無論是MAX30208數(shù)字溫度傳感器，還是MAX86176模擬前端芯片，都充分考慮應(yīng)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(tǒng)設(shè)計角度充分考慮了設(shè)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(zhì)量監(jiān)測和壓力監(jiān)測算法實現(xiàn)。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(shù)據(jù)或處理過的數(shù)據(jù)。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(mào)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(wù)。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(tǒng)可靠性。MAX32666提供動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，極大地降低處理器核的運行功耗，支持從緩存執(zhí)行程序，功耗可低至27.3μA/MHz @ 3.3V。此外，該器件還具有多種關(guān)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(shè)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(mào)澤電子有售。這顆芯片專門對醫(yī)療健康可穿戴應(yīng)用做了優(yōu)化，芯片內(nèi)集成了高精度ModelGauge™ m5 EZ電量計、靈敏的觸覺驅(qū)動器，以及獨特的低噪聲升/降壓轉(zhuǎn)換器，極大地提高了信噪比，降低光學(xué)生物檢測所需功耗。
另一款貿(mào)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(chǎn)品做了優(yōu)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(shè)備的電源模塊物料用量最多可減少60%，設(shè)備尺寸可減少50%。
總結(jié)
醫(yī)療級可穿戴技術(shù)進步提升了可穿戴設(shè)備測量結(jié)果的精度與可靠性，并使得可穿戴設(shè)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(shè)備上的醫(yī)療健康功能真正滿足臨床應(yīng)用要求�？纱┐髟O(shè)備比任何其他設(shè)備都更貼近人體，所以除了電參數(shù)，可穿戴設(shè)備在開發(fā)時還要考慮安全性和人體工學(xué)，需要從電子、材料與工業(yè)設(shè)計等多個領(lǐng)域來應(yīng)對貼身要求帶來的各種技術(shù)挑戰(zhàn)，從而做到安全、防水防塵、佩戴舒適和耐用。
可以預(yù)期，隨著可穿戴設(shè)備醫(yī)療功能的普及，可穿戴設(shè)備的價值將進一步得到發(fā)揮，而醫(yī)療功能的廣泛應(yīng)用也能更好地促進相關(guān)元器件技術(shù)的發(fā)展。 |
