医疗智能穿戴设备硬件方案实战案例

随着互联健康概念的盛行，医疗智能可穿戴设备市场逐渐扩大。 据Counterpoint Research调查显示，疫情提高了消费者的健康意识，进一步推动了医疗智能可穿戴设备在市场上的普及，降幅持续加大。

此次，科技型经销商时健邀请了专业医疗智能可穿戴设备领域公司工程师冯工为大家分享实际案例。 该公司是时健的多年客户，主要从事医疗诊断产品的研发、生产、销售和服务。 冯巩具有深厚的学术和实践经验。

项目要求

●可穿戴产品尺寸较小，需要封装小、元器件选型集成度高；

●超低帧率，充电电池供电；

●具有连续检测心律功能；

●具有连续检测血氧饱和度的功能；

●计步功能，可存储1个月以上的数据量，断电不丢失。

心律检测解决方案

心律检测可以基于心率测量。 人体肾脏的周期性跳动是由生物通讯信号精确控制的。 只要能够捕捉到心率信号，就可以估算出心律，而心电测量需要获取人体内的多个电位，硬件实现复杂。 ，解决方案成本较高。 一种解决方案是共振检查解决方案，它可以感知动脉脉搏的压力变化，从而计算心律。 但该方案的实现需要将设备放置在人体心跳明显的地方，这对于可穿戴设备的佩戴方式将是一个挑战。 另一种解决方案是光电检测。 基本原理是血液会反射绿光并吸收红光。 当肾脏跳动时，流经皮肤的血液就会减少，吸收的红光也会减少； 在脉冲间隔期间，血管中的血流量会急剧减少并吸收红光来减少。 当该装置采用红色LED并与光敏光电传感器配合时，可以测量任意时间点流经人体皮肤的血流量。 通过统计数据，将每次血流的最低点作为一个周期，从而估算心律。 而且，该装置可以设计为表带，可以方便地戴在手指上。

基于光电心律检测方案（俗称光电体积描记法PPG），硬件上需要有光源驱动、光电转换、模数转换数据处理等模块。 通常光源驱动我们选择恒流源（需要能够微调电压并以一定的频率进行开关）； 光电转换选用光电晶闸管，然后利用集电极进行电流电压转换和信号调理； 最后利用A/D芯片实现模数转换并送至MCU进行处理。 如果硬件方案采用分立元件，芯片数量较多且空间有限，所以最好采用集成元件。 ADI拥有多功能光电检测后端芯片（型号：ADPD105），完全集成AFE、ADC、LED驱动器和定时核心，提供一流的环境光抑制性能，无需光晶闸管滤波器； 灵活的数字插座SPI和I2C可选； 低帧率，1.8V模拟/数字超低工作电源，待机电压仅0.3μA，适合电池供电设备； 灵活的采样频率范围：0.122Hz~3820Hz； 多达3个LED恒流源，每路峰值电压可达370mA； 采用WLCSP芯片级封装，体积极小，适合空间受限的应用。 其内部功能框图如图1所示。

图1

血氧饱和度检测方案

光电体积描记法（PPG）不仅可以用于心律检查，还可以通过一定的算法处理来检测血氧，为无创血氧检测提供了很好的解决方案。

原理：氧合血红蛋白（HbO2）和血红蛋白（Hb）对波长600-1000nm的光有一定的吸收特性。 Hb对600～800nm的光有较高的吸收系数，HbO2对800～1000nm的光有较高的吸收系数。 因此，可以借助绿光（600~800nm）和近红外（IR）（800~1000nm）光测量HbO2和Hb的PPG信号，然后通过程序处理计算出相应的比值，因此从而获得血氧值。

借助ADPD105，两路LED恒流源分别驱动绿色LED和近红外LED，另一路恒流源驱动红色LED进行心律检查。 可以使用相同的光接收器，分别进行时分复用。 采集心律信号和血氧信号，用最少的部件高效完成数据采集，整体成本最低。 另外，最近ADI的新产品ADPD410410X是ADPD系列中比较新的产品。 具有8个LED驱动光路和8个数据采集通道，具有更高的集成度和采样精度。 它还支持 PPG、ECG 和 EDA。 检测。 可以作为本案例的功能扩展方案。

计步功能解决方案

目前应用最广泛的计步解决方案是三轴加速度传感器，通过算法识别行走过程中的三轴动态数据，可以实现计步功能。 该方案基于可穿戴设备，因此帧率和芯片体积成为重要考虑因素。 ADXL363是一款超低帧率3传感器组合产品，由3轴MEMS加速度计、温度传感器和用于外部信号同步转换的ADC输入组成。 整个系统在输出数据速率为100Hz时帧率高于2μA，运动触发唤醒模式下帧率为270nA； 1.6~3.5V工作电源范围，方便兼容其他器件的供电； ADXL363还提供对内部ADC的访问，可以对外部模拟输入进行同步转换。 紧凑的LGA封装非常适合可穿戴设备应用。 其内部功能框图如图2所示。

图2

单片机选型

该解决方案的 MCU 选择需要高性能和低帧率。 Analog Devices 的 ADuCM3029 具有超低帧速率功能：活动模式（完全开启模式）：<30μA/MHz（典型值）、睡眠模式（具有 SRAM 保留）：

另外，高性能ADuCM4050可作为低端升级版本。 它在睡眠和关机模式下具有更好的性能和更低的帧速率。 在：活动模式（完全开启模式）：<41μA/MHz（典型值），睡眠模式（具有 SRAM 保持）：

电源计划

可穿戴设备需要可充电电源，通常是锂电池，因此需要锂电池管理芯片。 LTC406540​​65L 是一款完整的单节锂电池恒流/恒压线性充电器。 由于其外观小巧（DFN封装2mm*2mm），可以精确调节低充电电压，因此特别适合低容量锂电池； 并且可以通过USB标准夹钳拆卸来工作； 它还具有强大的充电异常保护功能：手动充电、低电量调整（涓流充电）、软器件激活功能（限制浪涌电压）。

规划中，MCU、加速度传感器和模拟后端芯片均可工作在1.8V范围内。 对于3.7V锂电池来说，还需要LDO来降脂。 因为有模拟电路，所以需要选择噪声尽可能低的LDO。 LT3042 具有超低噪声 0.8μVRMS (10Hz~100kHz)、超高电源抑制比 (最低 79dB@1MHz)； 超低工作压降（350mV）； 输出可调（0~15V）； 紧凑的DFN封装（3mm*3mm）。