先进传感器赋能可穿戴健康科技：从心率到体温的精准监测

可穿戴技术与医疗器械的融合已成现实，Apple Watch Series 4 获 FDA 批准的多项心脏监测功能便是明证。搭载增强现实 (AR) 与虚拟现实 (VR) 功能的智能听戴设备也呈现类似趋势。

在该类应用中，微型传感器配合有线或无线通信，通过记录生理参数及其他指标来识别异常情况。然而，高度小型化的医疗可穿戴设备对传感能力提出更高要求，因为医疗与健身监测强制要求对体温、心率等人体生物指标实现更高精度测量。

可穿戴医疗传感器佩戴于个体身上，记录健康与健身数据，可监测血压、心跳及其他代谢活动等身体信号。这些传感器提供关于生理与心理变化的关键信息，同时监测心血管、神经、呼吸系统疾病（如哮喘、高血压等）的持续治疗效果。

图 1：医疗级传感器在可穿戴设计中至关重要，用于构建先进监测系统。(图片来源：ams)

本文概述可穿戴医疗设备开发者在选型与集成微型传感器时的三大核心设计考量，首要便是传感器件的灵敏度与精度。

传感器测量精度

精度虽是传感器的通用首要指标，但在可穿戴设备中面临特殊挑战：体积微小且贴身佩戴，易受热自加热与持续体表接触影响，进而干扰体温、心率、血氧饱和度 (SpO₂) 等关键生命体征的测量精度。

ams 的 AS7026 光学传感器（图 1）运用复杂算法，确保心率、心率变异性、心电图 (ECG) 与血压测量在健身追踪器与智能手表中的准确性。

传感器 IC 厂商正持续攻克这些难题。例如，Rohm Semiconductor 的 BH1790GLC 心率光学传感器针对运动手环、智能手表等可穿戴设备优化，即使在低 LED 亮度下也能高精度检测脉搏波，显著提升灵敏度。

Maxim Integrated 的 MAX30208 数字温度传感器消除了热自加热效应，在 30°C–50°C 范围内实现 ±0.1°C 精度。该临床级传感器通过消除环境光干扰、采用运动补偿算法进一步提升测量准确度。

可穿戴传感器的功耗困境

智能手表与运动手环引入心率监测面临电池容量有限的制约。换言之，心率光学传感器必须大幅降低功耗，才能延长可穿戴设备续航。

以 Maxim Integrated 的 MAXM86161 入耳式心率监测与血氧计为例，该传感器集成模拟前端 (AFE)，省去单独芯片与光学模块的连接。官方数据显示，其工作模式功耗不足 10 µA，关断模式仅 1.6 µA，比最近竞品低约 35%。

在医疗可穿戴领域，节能与小型化同步推进。MAXM86161 采用 2.9 × 4.3 × 1.4 mm OLGA 封装，集成红/红外 LED (用于 SpO₂) 与绿光 LED (用于心率)，三合一设计极致紧凑。

更小、更轻、更不干扰佩戴的生物电位 AFE 芯片用于心脏监测设备，确保患者佩戴舒适且电池续航更长。Analog Devices (ADI) 的 AD8233 专为 ECG 前端设计，典型静态电流仅 50 µA，将功耗压至微安级。

医疗可穿戴的传感器平台

同其他便携设计一样，模块化传感器平台为医疗可穿戴提供开箱即用的解决方案。例如，iProtoXi 的 Aistin Blue 开发套件内置健身与活动追踪应用样例，集成 Kionix（现属 Rohm Semiconductor）最新传感器，并附带 Kionix Windows 传感器评估软件，简化配置与数据采集。

另一例是 Maxim Integrated 的 MAXREFDES101 健康传感器平台 2.0（图 2），可快速原型验证、评估与开发体温、心率、ECG 精准监测。平台包含表盘外壳、显示屏、电池、主板与传感器板。

图 2：传感器密集型腕戴平台支持 ECG、心率与体温测量。(图片来源：Maxim Integrated)

传感器板集成光学传感器、生物电位/生物阻抗 AFE、温度传感器与生物特征传感器中枢。其中 MAX32664 生物特征传感器中枢提供嵌入式固件与算法，并实现与光学传感器的无缝通信，简化开发流程。

Health Sensor Platform 2.0 支持从运动手表、ECG 监测仪到健身追踪器等多种可穿戴设计，并允许开发者自行分析评估板载算法。

传感器算法的关键作用

智能手表、健身追踪器等医疗可穿戴内部的生物传感器必须高精度监测多项健康参数。以最常见的光学传感器为例，它与相干/非相干光源相互作用，光线经吸收、反射、散射等过程会改变传感器信号精度。

因此，光学传感器集成了生命体征监测算法，充分应对环境光抵消与运动抵消挑战。其次，医疗传感器需具备极小外形以适配微型穿戴设备并实现极低功耗。

最后，参考设计与开发套件的可用性可为可穿戴设计工程师节省数月开发周期，同时提供集成新型传感器的先进工具。先进监测系统在可穿戴传感器中的落地正在加速发生。