支持医疗保健可穿戴设备的专用传感器

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) 对各种心脏监测功能的批准。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。

在这个应用中，微型传感器连同有线或无线通信，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，高度微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）时具有更高的准确性。

个人佩戴的可穿戴医疗传感器可以记录健康和健身信息，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着重要作用。 （图片：ams）

本文概述了可穿戴医疗设备开发人员在选择微型传感器并将其集成到其便携式设计中时需要考虑的三个主要设计考虑因素。这个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

虽然精度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，因为可穿戴设备很小并且可以佩戴在身体上。它们可能会受到热自热和持续的身体接触的影响，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 (SpO2)。

AS7026 ams 的光学传感器（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，罗门半导体的BH1790GLC 用于心率监测的光学传感器 - 针对运动手环和智能手表等可穿戴设备进行了优化 - 即使在 LED 亮度较低的情况下也能高精度检测脉搏波，从而提高灵敏度。

此外，MAX30208 Maxim Integrated 的数字温度传感器消除了热自热，同时在 30°C 至 50°C 的范围内提供 ±0.1°C 的精度。临床级温度传感器消除环境光以提高精度，并采用运动补偿算法提高测量精度。

可穿戴传感器的功耗难题

由于电池容量有限，将心率监测纳入智能手表和运动手环一直是一项挑战。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 的 MAXM86161 为例 入耳式心率监测器和脉搏血氧仪针对可听设备和其他可穿戴应用。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%，工作模式下的功耗小于 10 μA，关断模式下的功耗小于 1.6 μA。

在这里，重要的是要注意，对于服务于医疗可穿戴设备市场的传感器而言，节能和小型化是相辅相成的。 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 SpO2 测量，绿色用于心率测量。

更小、更轻、更不引人注目的生物电势 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舒服，并提供更长的电池寿命。 AD8233 Analog Devices Inc. (ADI) 的芯片被设计为 ECG 前端，通过具有 50 μA 的典型静态电流将功耗降低到微安。

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，Aistin Blue iProtoXi 的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，Kionix 现在是 Rohm Semiconductor 的一部分。该套件包括 Kionix Windows 传感器评估 简化传感器配置和数据采集的软件。

另一个例子是 MAXREFDES101 Maxim Integrated 的 Health Sensor Platform 2.0（图 2 ) 有助于快速原型制作、评估和开发，以准确监测体温、心率和心电图。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：Maxim Integrated）

传感器板包括一个光学传感器、一个集成的生物电位和生物阻抗 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与光学传感器的无缝通信来简化开发过程。

Health Sensor Platform 2.0 支持可穿戴设计，从运动手表、ECG 监测器到健身追踪器。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，可被吸收、反射、散射或分散，从而改变传感器信号精度。

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安装在微型可穿戴设备中并消耗最少的功率。

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高级工具。随着可穿戴传感器中先进监控系统的采用，这一切都在发生。