可穿戴设备的健康监护设计方案

二十年前遇到紧急情况想打电话都找不到。二十年后，移动电话使我们能够随时随地拨打电话。又经过20 年的创新后，语音通话已不再是手机这款智能设备的主要功能，它不仅可以拍摄美丽的照片、播放音频和视频流文件，而且还提供各种各样的服务——现在还逐渐成为我们的私人教练。配备传感器或者连接到穿戴式传感器后，这些设备可用来监控日常活动和个人健康状况。在不断增强的健康意识推动下，人们开始关注测量生命体征参数——如心率、体温、血氧饱和度、血压、活动水平(运动量)和脂肪燃烧量——以及追踪这些参数的日常变化趋势。

现在，装有多个传感器的通用传感器前端可监控这些参数。最大的挑战是最大程度地缩小尺寸并延长电池使用寿命。本文讨论面向迅猛增长的可穿戴电子产品市场的解决方案。

最重要的生命体征信号

没了心跳，我们就会有大麻烦，因此，脉搏或心率至今仍是我们需监控的最重要的参数。除了每分钟心跳次数以外，我们还想检查心脏行为与活动量的关系。心律也非常重要，因为快速变化的心率是心脏疾病的征兆。

心率和心脏活动监护通常是使用心电图(ECG)测量生理电信号来实现。连接到身体上的电极可测量心脏组织中心电的信号的活动。专业的诊断系统便是基于此原理，测量时胸部和四肢最多可连接10个电极。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相关详细信息。

图1. AD8232单导联ECG前端

单导联ECG在体育界的应用越来越普遍，其使用双电极胸带来测量心脏活动。虽然可检测到各种ECG波形，但大多数系统只测量心率。这些胸带穿戴起来并不舒服，因此，体育和保健行业正在寻找替代方案，例如将电极集成到运动衫上。AD8232 单导联心率监护仪前端(如图1 所示)就是专为此类低功耗可穿戴应用而开发的。该器件内置增益为100 V/V 的仪表放大器和一个高通滤波器，能阻止皮肤上电极的半电池电位产生的失调电压。输出缓冲器和低通滤波器则可抑制肌肉活动产生的高频分量(EMG 信号)。此低功耗前端功耗为170μA，可与16位片上计量仪ADuCM350配合使用，进行高性能、单导联ECG 测量。

心率测量的新趋势是光电容积图(PPG)，这是一种无需测量生物电信号就能获得心脏功能信息的光学技术。PPG 主要用于测量血氧 饱和度(SpO2)，但也可不进行生物电信号测量就提供心脏功能信息。借助PPG 技术，心率监护仪可集成到手表或护腕等可穿戴设 备上。由于生理电势法的信号电平极其微弱，所以无法做到这一点。

在光学系统中，光从皮肤表面投射出来。再由光电传感器测量红细胞吸收的光量。随着心脏跳动，不断变化的血容量使接收到的光量分散开来。在手指或耳垂上进行测量时，由于这些部位有相当多的动脉血，使用红光或红外光源可获得最佳精度。不过，手腕表层很少有动脉存在，腕部穿戴式设备必须通过皮肤表层下面的静脉和毛细血管来检测脉动分量，因此绿光效果会更好。

ADPD142光学模块(如图2所示)具备完整的光度测量前端，并集成光电传感器、电流源和LED。该器件专为测量反射光而设计，可用来实现PPG测量。所有元件都封装在一个小小的模块上。

图2. ADPD142光学模块

使用光学VSM所面临的挑战

利用腕部穿戴式设备测量PPG面临的主要挑战来自环境光和运动产生的干扰。阳光产生的直流误差相对而言比较容易消除，但日光灯和节能灯发出的光线都带有可引起交流误差的频率分量。模拟前端使用两种结构来抑制DC至100 kHz的干扰信号。模拟信号经过调理后，14位逐次逼近型数模转换器(ADC)将信号数字化，再通过I2C接口发送到微处理器进行最终后处理。

同步发送路径与光接收器并行集成在一起。其独立的电流源可驱动两个单独的LED，电流电平最多可编程至250 mA。LED电流是脉冲电流，脉冲长度在微秒级，因此可保持较低的平均功耗，从而最大程度地延长电池使用寿命。

LED驱动电路是动态电路且可即时配置，因此不受各种环境条件影响，例如环境光、穿戴者皮肤和头发的色泽或传感器和皮肤之间的汗液，这些都会降低灵敏度。激励LED 配置非常方便，可用于构建自适应系统。所有时序和同步均由模拟前端处理，因此不会增加系统处理器的任何开销。

ADPD142提供两种版本：ADPD142RG集成红光LED和绿光LED，用于支持光学心率监护;ADPD142RI集成红光LED和红外LED，用于进行血氧饱和度(SpO2)测量。)

运动的影响

运动也会干扰光学系统。当光学心率监护仪用于睡眠研究时，这可能不是问题，但如果在锻炼期间穿戴，运动腕表和护腕将很难消除运动伪像。光学传感器(LED和光电检测器)和皮肤之间的相对运动会降低光信号的灵敏度。此外，运动的频率分量也可能会被视为心率测量，因此，必须测量该运动并进行补偿。设备与人体相贴越紧密，这种影响就越小，但采用机械方式消除这种影响几乎是不可能的。

我们可使用多种方法来测量运动。其中一种是光学方法，即使用多个LED波长。共模信号表示运动，而差分信号用来检测心率。不过，最好是使用真正的运动传感器。该传感器不仅可准确测量应用于可穿戴设备的运动，而且还可用于提供其他功能，例如跟踪活动、计算步数或者在检测到特定g 值时启动某个应用。

ADXL362 是一款微功耗、3 轴MEMS(微机电系统)加速度计，非常适合在电池供电型可穿戴应用中检测运动。内置的12 位ADC可将加速度值转换为数字信号，分辨率为1 mg。功耗随采样速率动态变化，当输出数据速率为100 Hz 时功耗仅为1.8μA，在400 Hz时为3.0 μA。这些较高的数据速率对于用户接口来说非常有用，例如单击/双击检测。