健康監護正在走向可穿戴設備

　　隨著時代的發展,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—現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，這類設備可用來監控人們的日常活動和個人健康狀況。在不斷增強的健康意識推動下，人們開始關注測量生命體征參數——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—以及追蹤這些參數的日常變化趨勢。

　　現在，裝有多個傳感器的通用傳感器前端可以監控這些參數。而更大的挑戰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控的最重要的參數之一。除了每分鐘心跳次數以外，還應該檢查心臟行為與活動量的函數關系。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護通常是使用心電圖(ECG)測量生理電信號來實現的。連接到身體上的電極可測量出心臟組織中心電活動所產生的信號。專業的診斷系統就基于此原理，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)的相關詳細信息。

　　單導聯ECG在體育界的應用越來越普遍，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，但大多數系統只測量心率。這些胸帶穿戴起來并不舒服。因此，體育和保健行業正在尋找替代方案，例如將電極集成到運動衫上。AD8232單導聯心率監護儀前端(如圖1)就是專為此類低功耗可穿戴應用而開發的。該器件內置增益為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生的失調電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動產生的高頻分量(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、單導聯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技術。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，心率監護儀可集成到手表或護腕等可穿戴設備上。因為生理電勢法信號電平極其微弱，所以無法做到這一點。

　　在光學系統中，光通過皮膚表面發射。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計，可用來實現PPG測量，所有元件都封裝在一個小小的模塊上。

　　使用光學VSM所面臨的挑戰

　　利用腕部穿戴式設備測量PPG面臨的主要挑戰來自環境光和運動產生的干擾。陽光產生的直流誤差相對而言比較容易消除，但日光燈和節能燈發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構來抑制DC至100kHz的干擾信號。模擬信號經過調理后，14位逐次逼近型數模轉換器(ADC)將該信號數字化，再通過I2C接口發送到微處理器進行最終后處理。

　　同步發送路徑與光接收器并行集成在一起。其獨立的電流源可驅動兩個單獨的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驅動電路是動態電路且可即時配置，因此不受各種環境條件影響，例如環境光、穿戴者皮膚和頭發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，可用于構建自適應系統。所有時序和同步均由模擬前端處理，因此不會增加系統處理器的任何開銷。

　　ADPD142提供兩種版本：ADPD142RG集成紅光LED和綠光LED，用于支持光學心率監護;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

　　運動也會干擾光學系統。當光學心率監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備的運動，還可用于提供其他功能，例如跟蹤活動、計算步數或者在檢測到特定重力時啟動某個應用。

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