管理传感器集成问题，医疗可穿戴设备中的光学设计

Covid-19 为医疗保健可穿戴设备的商业化提供了新的推动力。从用于检测冠状病毒早期症状的无线温度感应标签和贴片监视器的开发中可以明显看出这一点。

最近的一个例子是 SkyWater Technology、Linear ASICs、SensiML 和 Upward Health 之间的合作。代工服务提供商 SkyWater Technology 最近与模拟芯片制造商 Linear ASIC 携手，大规模生产具有温度感应功能的支持无线连接的 IC。

此次合作的其他合作伙伴是 QuickLogic 的子公司 SensiML Corp.，该公司为超低功耗物联网设备提供软件，以及 Upward Health，一家家庭和虚拟医疗保健服务提供商。该传感器平台最终将被集成到接触追踪应用程序中，以检测 Covid-19 的早期症状。

EnSilica Ltd. 还生产了具有无线连接功能的单芯片医疗传感器，适用于各种传感器，包括心电图 (ECG)、温度、机电和生物阻抗传感器。无线医疗传感器 ASIC 平台可以与多个处理器和 DSP 配置一起使用，并且作为一个选项，可以结合机器学习加速器（例如 Arm Ethos-U55）来支持 AI 应用程序。

传感器芯片的专用模拟前端 (AFE) 与具有临床级精度的单导联和多导联 ECG 配合使用。它可以准确测量心电图、心率、呼吸频率、温度和脉搏血氧饱和度。

虽然上述传感器芯片的推出表明可穿戴设计在医疗和保健用例中的吸引力越来越大，但开发人员在使这些超薄设备成为设计现实时面临的主要设计挑战是什么？本文扩展了医疗可穿戴设计中的两个主要问题：集成问题和光学设计。

集成难题虽然传感器模块广泛用于解决超薄医疗可穿戴设备中的房地产和集成挑战，但芯片制造商也在尝试通过提供超紧凑的外形尺寸和支持一系列操作来简化传感器 IC 与系统的集成。电压。

以传感器芯片制造商 ams 推出的数字温度传感器为例，AS6221无需校准或线性化，并通过 8 个 I 2 C 接口提供测量输出。温度传感器 IC（采用 1.5 × 1-mm WLCSP 封装）以 4 Hz 的输出数据速率消耗 6 µA 电流，适用于健身监测腕带和智能手表。

据 ams 称，AS6221 是业界最精确的数字温度传感器，在 20°C 至 42°C 的温度范围内具有 ±0.09°C 的测量精度。据该公司称，其他温度传感器可以达到不超过±0.10°C的精度。

另一家传感器芯片制造商 Integrated Device Technology (IDT) 现已成为瑞萨电子的全资子公司，该公司发布了一种生物传感器模块，以缓解医疗用例可穿戴设计中的集成问题。OB1203模块采用4.2 × 2 × 1.2-mm 封装，包括两个 LED、驱动器、传感器和一个在 I 2 C 总线上输出所有传感器数据的信号调节芯片。

除了测量心率和血氧水平的传感器外，该模块的附加传感器还包括环境光传感器、RGB 颜色传感器、接近传感器和脉搏血氧计生物传感器。此外，该设计平台具有临床级心率和血氧饱和度 (SpO 2 ) 算法以及易于定制的 Android 应用程序，并且需要三个数据线才能运行。

增强的光学设计IDT 声称其新传感器模块的价值主张之一是其光学增强。这也是Maxim Integrated 推出的健康传感器平台 3.0 (HSP 3.0 ) 的重点。增强的光学架构显着提高了消费者和监管批准的临床设备中传感器的信号采集质量。

HSP 3.0 平台使可穿戴设备能够监测心脏和呼吸问题，以管理慢性阻塞性肺病、Covid-19 等传染病、睡眠呼吸暂停和心房颤动等疾病。除了基于手腕的可穿戴设备外，该参考设计还可用于其他干电极形式，如胸贴和智能戒指。

MAXREFDES104#——HSP 3.0 参考设计的部件号——声称可以节省至少六个月的开发时间。它有利于监测心电图、心率、SpO 2和体温的可穿戴设备。

HSP 3.0 参考设计中的传感器板包含一个 AFE，该 AFE 将 PPG 和 ECG 测量集成在单个芯片中。（来源：Maxim Integrated）

Maxim Integrated 工业与医疗保健业务部董事总经理 Andrew Baker 表示，医疗保健可穿戴设备的一个关键挑战是光机械设计。这包括 LED 和光电探测器的布置。

因此，参考板已经实施了过去几年在组件相对于彼此的放置方面获得的知识。它在底部放置了三个光电探测器。两个光电探测器专注于使用绿色 LED 捕捉心率，而第三个距离 LED 较远的光电探测器用于血液饱和度测量。

“光学设计完全取决于信噪比 [SNR]，而提供 110 dB SNR 的 MAXREFDES104# 对于同时进行两次测量至关重要，”Baker 补充道。传感器板上的 AFE 结合了 ECG 和光学功能，以前在两个独立的芯片上实现。

这意味着可穿戴设计可以执行同步 PPG 和 ECG 测量，即使采用独立的采样率；它还可以实现更多的功率优化。AFE 芯片MAX86176提供 110 dB 的 SNR，为干电极 ECG 应用增加 SpO 2 饱和能力和超过 110-dB 的共模抑制比。

拆箱后，工程师可以在几分钟内使用蓝牙低功耗加密狗将其加载到 PC 上，并开始从传感器板传输数据以进行数据收集和分析。它带有源代码设计文件，因此设计人员可以采用该平台并根据他们的特定用例对其进行调整。

如前所述，这些功能可以为可穿戴设计工程师节省长达六个月的开发时间。但是，如果工程师没有光学设计以及电极设计和心电图方面的专业知识，则可能需要六个月以上的时间。

审核编辑 黄昊宇