健康監(jiān)護正在走向可穿戴設(shè)備

　　隨著時代的發(fā)展,手機的功能越來越多,不僅可以拍攝美麗的照片、播放音頻和視頻流文件，還可以訪問各種各樣的服務(wù)—現(xiàn)在還逐漸成為人們的私人教練。配備傳感器或者連接到穿戴式傳感器后，這類設(shè)備可用來監(jiān)控人們的日?；顒雍蛡€人健康狀況。在不斷增強的健康意識推動下，人們開始關(guān)注測量生命體征參數(shù)——如心率、體溫、血氧飽和度、血壓、活動水平(運動量)和卡路里燃燒量—以及追蹤這些參數(shù)的日常變化趨勢。

　　現(xiàn)在，裝有多個傳感器的通用傳感器前端可以監(jiān)控這些參數(shù)。而更大的挑戰(zhàn)是最大程度地縮小尺寸并延長電池使用壽命。本文將討論面向迅猛增長的可穿戴電子產(chǎn)品市場的解決方案。

　　最重要的生命體征信號

　　脈搏或心率是需要監(jiān)控的最重要的參數(shù)之一。除了每分鐘心跳次數(shù)以外，還應(yīng)該檢查心臟行為與活動量的函數(shù)關(guān)系。心律也非常重要，因為快速變化的心率是心臟疾病的征兆。

　　心率和心臟活動的監(jiān)護通常是使用心電圖(ECG)測量生理電信號來實現(xiàn)的。連接到身體上的電極可測量出心臟組織中心電活動所產(chǎn)生的信號。專業(yè)的診斷系統(tǒng)就基于此原理，其在胸部和四肢最多可連接10個電極。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相關(guān)詳細信息。

　　單導(dǎo)聯(lián)ECG在體育界的應(yīng)用越來越普遍，其使用雙電極胸帶來測量心臟活動。雖然可檢測到各種ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)只測量心率。這些胸帶穿戴起來并不舒服。因此，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案，例如將電極集成到運動衫上。AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護儀前端(如圖1)就是專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)的。該器件內(nèi)置增益為100V/V的儀表放大器和高通濾波器，能阻止皮膚上電極的半電池電位產(chǎn)生的失調(diào)電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動產(chǎn)生的高頻分量(EMG信號)。此低功耗前端功耗為170μA，可與16位片上計量儀ADuCM350配合使用，進行高性能、單導(dǎo)聯(lián)ECG測量。

　　測量心率的新方法

　　心率測量的新趨勢是光電容積圖(PPG)，這是一種無需測量生物電信號就能獲得心臟功能信息的光學(xué)技術(shù)。PPG主要用于測量血氧飽和度(SpO2)，但也可不進行生物電信號測量就提供心臟功能信息。借助PPG技術(shù)，心率監(jiān)護儀可集成到手表或護腕等可穿戴設(shè)備上。因為生理電勢法信號電平極其微弱，所以無法做到這一點。

　　在光學(xué)系統(tǒng)中，光通過皮膚表面發(fā)射。光電傳感器對紅細胞吸收的光量進行測量。隨著心臟跳動，不斷變化的血容量使接收到的光量分散開來。在手指或耳垂上進行測量時，由于這些部位有相當多的動脈血，使用紅光或紅外光源可獲得最佳精度。但是，手腕上方很少有動脈存在，腕部穿戴式設(shè)備必須通過皮膚表層下方的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量，因此綠光效果會更好。

　　ADPD142光學(xué)模塊(如圖2)具備完整的光度測量前端，并集成了光電傳感器、電流源和LED。該器件專為測量反射光而設(shè)計，可用來實現(xiàn)PPG測量，所有元件都封裝在一個小小的模塊上。

　　使用光學(xué)VSM所面臨的挑戰(zhàn)

　　利用腕部穿戴式設(shè)備測量PPG面臨的主要挑戰(zhàn)來自環(huán)境光和運動產(chǎn)生的干擾。陽光產(chǎn)生的直流誤差相對而言比較容易消除，但日光燈和節(jié)能燈發(fā)出的光線都帶有可引起交流誤差的頻率分量。模擬前端使用兩種結(jié)構(gòu)來抑制DC至100kHz的干擾信號。模擬信號經(jīng)過調(diào)理后，14位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)將該信號數(shù)字化，再通過I2C接口發(fā)送到微處理器進行最終后處理。

　　同步發(fā)送路徑與光接收器并行集成在一起。其獨立的電流源可驅(qū)動兩個單獨的LED ，電流電平最多可編程至250mA。LED電流是脈沖電流，脈沖長度在微秒級，因此可保持較低的平均功耗，從而最大程度地延長電池使用壽命。

　　LED驅(qū)動電路是動態(tài)電路且可即時配置，因此不受各種環(huán)境條件影響，例如環(huán)境光、穿戴者皮膚和頭發(fā)的色澤或傳感器和皮膚之間的汗液，這些都會降低靈敏度。激勵LED的配置非常方便，可用于構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有時序和同步均由模擬前端處理，因此不會增加系統(tǒng)處理器的任何開銷。

　　ADPD142提供兩種版本：ADPD142RG集成紅光LED和綠光LED，用于支持光學(xué)心率監(jiān)護;ADPD142RI集成紅光LED和紅外LED，用于進行血氧飽和度(SpO2)測量。

　　運動的影響

　　運動也會干擾光學(xué)系統(tǒng)。當光學(xué)心率監(jiān)護儀用于睡眠研究時，這可能不是問題，但在鍛煉期間佩戴運動腕表和護腕，將會很難消除運動偽像。光學(xué)傳感器(LED和光電檢測器)與皮膚之間的相對運動會降低光信號的靈敏度。此外，運動的頻率分量也可能會被視為心率測量，因此必須測量該運動并進行補償。設(shè)備與人體貼得越緊密，這種影響就越小，但采用機械方式消除這種影響幾乎是不可能的。

　　可使用多種方法來測量運動。其中一種是光學(xué)方法，即使用多個LED波長。共模信號表示運動，而差分信號用來檢測心率。但是，最好是使用真正的運動傳感器。這不僅可以準確測量施加到可穿戴設(shè)備的運動，還可用于提供其他功能，例如跟蹤活動、計算步數(shù)或者在檢測到特定重力時啟動某個應(yīng)用。

　　ADXL362是一款微功耗、3軸MEMS(微機電系統(tǒng))加速度計，非常適合在電池供電型可穿戴應(yīng)用中檢測運動。其1 2位ADC可將加速度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，分辨率為1-mg。功耗隨采樣速率動態(tài)變化，當輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz時功耗僅為1.8μA，在400Hz時為3.0μA。這些較高的數(shù)據(jù)速率對于用戶接口來說非常有用，例如單擊/雙擊檢測。