超低功耗模擬人體傳感器、數(shù)字微控制器以及創(chuàng)新電源和電池管理電路的開發(fā)正在推動可穿戴醫(yī)療保健產(chǎn)品的增長。應用已從運動跟蹤擴展到血氧水平、血糖水平、體溫等的持續(xù)監(jiān)測。現(xiàn)在，可穿戴產(chǎn)品可以采集傳統(tǒng)上在臨床環(huán)境中監(jiān)測的幾乎所有人體信號，而且往往具有接近相同的精度水平但價格要低得多。

這毫不奇怪：根據(jù)市場研究公司 IHS 的分析，2019年全球可穿戴產(chǎn)品的出貨量超過 2 億件，在六年的時間內翻了一番。

盡管如此，在可穿戴設備根植到更多人的日常生活中之前，仍必須解決與可靠性和準確性相關的許多問題。這些設備必須高度可靠，因為讀數(shù)可能用于生活方式調整或作為疾病的預警信號。為此，設計的生物傳感器必須能夠克服惡劣環(huán)境、汗水、運動和環(huán)境光等因素帶來的測量挑戰(zhàn)。

優(yōu)異的連接性

任何可穿戴設備的關鍵要求是連接性。無縫無線連接已成為當今可穿戴設備的必備項之一。無線傳輸允許將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁蟮娘@示屏或遠程數(shù)據(jù)收集設備。低功耗藍牙 （BLE） 是適合這一用途的新興標準。此外，近場通信 （NFC） 提供有限范圍內的無線連接，非常適合短內容傳輸，例如配置信息和記錄數(shù)據(jù)檢索等。

例如，在開發(fā)一種產(chǎn)品（如新款健身手環(huán)）時，工程師需要考慮需要傳輸多少數(shù)據(jù)、傳輸?shù)念l繁度以及傳輸范圍。如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量達到兆字節(jié)，則設計人員可能會考慮使用傳統(tǒng)藍牙或 Wi-Fi。

范圍是另一個決定因素。BLE 通常可以在 30 米視線范圍內通信。此外，使用場景因素也有影響，例如設備是否與智能手機通信，以將數(shù)據(jù)轉發(fā)到云以進行分析。

能夠承受考驗

許多可穿戴系統(tǒng)設計用于在運動和其他高強度活動中配戴。耐用性是相對的；救生設備與自行車運動員所配戴的運動監(jiān)測設備的要求不同。

真實條件下的可靠性意味著能夠應對電子設備通常不需要處于其中的環(huán)境。這些組件包括用于多參數(shù)監(jiān)測的低功耗模擬前端 （AFE） 解決方案以及嵌入式模擬部件，例如運算放大器、電流感應放大器、濾波器、數(shù)據(jù)轉換器等，所有這些都是將真實信號連接到數(shù)字系統(tǒng)所必需的。

特別是身體傳感器的電輸出幅度非常低，以毫伏和微伏計。這樣，許多適用于可穿戴健康應用的傳感器與單個晶片或封裝內的放大和轉換電路相結合，以輸出更高電平的模擬信號或串行數(shù)字信號。

示例：處理閃爍問題

光電容積脈搏波 （PPG） 是一種簡單且廉價的光學測量方法，通常用于心率監(jiān)測和脈搏血氧（一種用于測量血液中氧氣含量水平的測試）讀數(shù)。PPG 是一種非侵入性技術，在皮膚表面使用光源和光電探測器來測量血液循環(huán)的體積變化。

遺憾的是，光學傳感器在使用中會也接收環(huán)境光。由于室內照明通常包含閃爍，可能會干擾 PPG 信號，因此尤其麻煩。根據(jù)全球地區(qū)差異，室內燈光可能會以 50Hz 或 60Hz 的基本頻率閃爍。該頻率接近于 PPG 信號的采樣頻率。如果不進行校正，環(huán)境閃爍會對每個樣本產(chǎn)生不同的偏置。

圖1：可穿戴PPG電路的主要任務是在節(jié)省功率的同時獲得最大信噪比（SNR）（來源：美信）

為了抵消這些影響，目前高級的 PPG IC 采用了智能信號路徑技術。算法也變得越來越復雜。因此，設計人員現(xiàn)在能夠以各種形式使用 PPG，包括耳塞、戒指、項鏈、頭帶和臂帶、手環(huán)、手表和智能手機。

無論哪種形式，可穿戴傳感器都必須能夠可靠地運行，同時克服常見噪聲和誤差源的影響。PPG 傳感器的環(huán)境噪聲通常分為兩大類：光學噪聲和生理噪聲。

光學噪聲是指傳感器監(jiān)測到的光路變化特性與所觀察到的血液量光吸收無關。同樣，生理變化可能會改變組織中的血流量和體積，從而改變 PPG 信號。

Maxim MAX30112 手腕型應用心率檢測解決方案具有專為減弱各種 50Hz/60Hz 閃爍成分而設計的先進相關采樣技術，可以減輕閃爍對 PPG 信號的破壞作用。它以 1.8V 主電源電壓運行，并帶有獨立的 3.1V 至 5.25V LED 驅動器電源。該器件支持標準的 I2C 兼容接口，并通過其軟件提供接近零待機電流的關機模式，從而使電源軌始終保持供電。

圖 2： Maxim MAX 30112.的簡化框圖 （來源： 美信）

節(jié)省時間的工具

可穿戴醫(yī)療設備是執(zhí)行特定生物醫(yī)學功能的自主、無創(chuàng)性系統(tǒng)。這些設備跟蹤心跳、體溫、血氧和心電（ECG） 信號。傳感器對某種物理輸入做出反應，并通過生成信號（通常為電壓或電流形式）進行回應。此信號經(jīng)過整理與修正以使其更易于讀取，以合理的速率采樣，然后轉換為處理器可讀的信號。

要滿足所有這些要求，構建可穿戴醫(yī)療保健產(chǎn)品可能既具有挑戰(zhàn)又耗費時間。幸運的是，諸如 美信 的 Health Sensor Platform 2.0 之類的工具為腕戴式可穿戴設備提供了監(jiān)測心電信號、心率和體溫的功能，從而可節(jié)省數(shù)月的開發(fā)時間。使用此類工具，可穿戴產(chǎn)品現(xiàn)在幾乎可以獲取傳統(tǒng)上在臨床環(huán)境中監(jiān)測的所有信號。