可穿戴医疗保健设备传感器设计师指南

作者：Majeed Ahmad，特约作家

可穿戴技术和医疗设备之间的协同作用是显而易见的，正如 Apple Watch Series 4 所证明的那样，它获得了食品和药物管理局 (FDA) 的各种心脏监测功能的许可。类似的故事正在配备增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 功能的可听设计中形成。

在此应用中，微型传感器与有线或无线通信一起，通过记录心理因素和其他迹象来识别异常和意外情况。然而，高度小型化的医疗可穿戴设备需要显着增强传感能力，因为医疗保健和健身监测器要求在测量人体生物特征（如体温和心率）时更准确。

个人佩戴以记录健康和健身信息的可穿戴医疗传感器可以监测身体信号，例如血压、心跳和其他代谢活动。这些可穿戴传感器提供有关身体生物和心理变化的重要信息，同时监测心血管、神经和肺部疾病（例如哮喘、高血压等）的持续治疗。

图 1：医疗级传感器在可穿戴设计中至关重要，因为它们在创建高级监控系统方面发挥了重要作用。（图片：ams）

本文概述了可穿戴医疗保健设备开发人员在选择微型传感器并将其集成到便携式设计中时的三个主要设计考虑因素。该过程从传感器设备的灵敏度和准确性开始。

传感器测量的准确性

虽然准确性是整个传感器的首要考虑因素，但它提出了一个特殊的设计挑战，因为可穿戴设备体积小且佩戴在身体上。他们可能会遭受热自热和持续的身体接触，这会影响测量生命体征的准确性，例如温度、心率和血氧饱和度 (SpO 2 )。

ams的AS7026 光学传感器（图 1）使用复杂的算法来确保健身追踪器和智能手表中的心率、心率变异性、心电图 (ECG) 和血压测量的准确性。

传感器 IC 制造商正在努力应对这些挑战。例如，罗姆半导体用于心率监测的BH1790GLC 光学传感器（针对运动手环和智能手表等可穿戴设备进行了优化）通过允许在低 LED 亮度下也能以高精度检测脉搏波来提高灵敏度。

此外，Maxim Integrated 的MAX30208 数字温度传感器消除了热自发热，同时在 30°C 至 50°C 范围内提供 ±0.1°C 的精度。临床级温度传感器可消除环境光以获得更高的精度，并采用运动补偿算法来提高测量精度。

可穿戴传感器的电源难题

由于电池容量有限，将心率监测纳入智能手表和运动表带一直是一项挑战。换句话说，用于心率监测的光学传感器需要显着降低功耗，以延长可穿戴设备的运行时间。

以 Maxim Integrated 针对可听设备和其他可穿戴应用的MAXM86161 入耳式心率监测器和脉搏血氧仪为例。该传感器集成了模拟前端 (AFE)，无需单独的芯片并将其连接到光学模块。Maxim Integrated 声称，MAXM86161 传感器的功耗比最接近的竞争对手低约 35%，工作模式下的功耗低于 10 μA，关断模式下的功耗为 1.6 μA。

在这里，重要的是要注意，在服务于医疗可穿戴设备市场的传感器方面，节能和小型化是齐头并进的。MAXM86161 入耳式心率监测器采用 OLGA 封装，尺寸为 2.9 x 4.3 x 1.4 mm，包括三个 LED：红色和红外线用于 SpO 2 测量，绿色用于心率。

更小、更轻、更不显眼的生物电位 AFE 芯片可用于心脏监测设备，以确保可穿戴设备不会让患者佩戴不愉快，并提供更长的电池寿命。Analog Devices Inc. (ADI)的AD8233 芯片设计为 ECG 前端，具有 50 μA 的典型静态电流，可将功耗降至微安级。

用于医疗可穿戴设备的传感器平台

与其他便携式设计一样，提供模块化传感器平台以促进医疗可穿戴设备的开箱即用解决方案。例如，iProtoXi 的Aistin Blue开发套件随附用于健身和活动跟踪的应用程序示例。它采用了 Kionix 的最新传感器，现在是 Rohm Semiconductor 的一部分。该套件包括可简化传感器配置和数据采集的Kionix Windows 传感器评估软件。

另一个例子是 Maxim Integrated 的MAXREFDES101 健康传感器平台 2.0（图 2），它有助于快速原型设计、评估和开发，以准确监测体温、心率和 ECG。它包括一个手表外壳，里面装有显示器、电池、微型板和传感器板。

图 2：用于腕戴式设备的传感器封装平台有助于测量心电图、心率和温度。（图片：美信集成）

传感器板包括一个光学传感器、一个集成的生物电势和生物阻抗 AFE、一个温度传感器和一个生物识别传感器集线器。在这里，MAX32664生物识别传感器集线器通过提供嵌入式固件和算法以及实现与光学传感器的无缝通信，简化了开发过程。

Health Sensor Platform 2.0 支持可穿戴设计，从运动手表到心电监护仪，再到健身追踪器。它还允许开发人员对板载算法进行自己的分析和评估。

传感器算法的作用

智能手表、健身追踪器和其他医疗可穿戴设备中的生物传感器必须高度准确地监测各种健康参数。最常见的生物传感器类型之一，光学传感器，就是一个很好的例子。它与相干和非相干光源相互作用，这些光源可以被吸收、反射、散射或分散，从而改变传感器信号的准确性。

因此，光学传感器与生命体征监测算法集成在一起，确保充分解决环境光消除和其他运动消除挑战。其次，如上所述，医疗传感器应该提供非常小的外形尺寸，以便它们可以很好地融入微型可穿戴设备并消耗最少的功率。

最后，参考设计和开发套件的可用性可以为可穿戴设计工程师节省数月的开发工作，同时提供用于简单集成新传感器的先进工具。随着可穿戴传感器采用先进的监控系统，这一切都在发生。

审核编辑 黄昊宇