作者：Majeed Ahmad，特約作家

可穿戴技術和醫療設備之間的協同作用是顯而易見的，正如 Apple Watch Series 4 所證明的那樣，它獲得了食品和藥物管理局 (FDA) 的各種心臟監測功能的許可。類似的故事正在配備增強現實 (AR) 和虛擬現實 (VR) 功能的可聽設計中形成。

在此應用中，微型傳感器與有線或無線通信一起，通過記錄心理因素和其他跡象來識別異常和意外情況。然而，高度小型化的醫療可穿戴設備需要顯著增強傳感能力，因為醫療保健和健身監測器要求在測量人體生物特征（如體溫和心率）時更準確。

個人佩戴以記錄健康和健身信息的可穿戴醫療傳感器可以監測身體信號，例如血壓、心跳和其他代謝活動。這些可穿戴傳感器提供有關身體生物和心理變化的重要信息，同時監測心血管、神經和肺部疾病（例如哮喘、高血壓等）的持續治療。

圖 1：醫療級傳感器在可穿戴設計中至關重要，因為它們在創建高級監控系統方面發揮了重要作用。（圖片：ams）

本文概述了可穿戴醫療保健設備開發人員在選擇微型傳感器并將其集成到便攜式設計中時的三個主要設計考慮因素。該過程從傳感器設備的靈敏度和準確性開始。

傳感器測量的準確性

雖然準確性是整個傳感器的首要考慮因素，但它提出了一個特殊的設計挑戰，因為可穿戴設備體積小且佩戴在身體上。他們可能會遭受熱自熱和持續的身體接觸，這會影響測量生命體征的準確性，例如溫度、心率和血氧飽和度 (SpO 2 )。

ams的AS7026?光學傳感器（圖 1）使用復雜的算法來確保健身追蹤器和智能手表中的心率、心率變異性、心電圖 (ECG) 和血壓測量的準確性。

傳感器 IC 制造商正在努力應對這些挑戰。例如，羅姆半導體用于心率監測的BH1790GLC?光學傳感器（針對運動手環和智能手表等可穿戴設備進行了優化）通過允許在低 LED 亮度下也能以高精度檢測脈搏波來提高靈敏度。

此外，Maxim Integrated 的MAX30208?數字溫度傳感器消除了熱自發熱，同時在 30°C 至 50°C 范圍內提供 ±0.1°C 的精度。臨床級溫度傳感器可消除環境光以獲得更高的精度，并采用運動補償算法來提高測量精度。

可穿戴傳感器的電源難題

由于電池容量有限，將心率監測納入智能手表和運動表帶一直是一項挑戰。換句話說，用于心率監測的光學傳感器需要顯著降低功耗，以延長可穿戴設備的運行時間。

以 Maxim Integrated 針對可聽設備和其他可穿戴應用的MAXM86161?入耳式心率監測器和脈搏血氧儀為例。該傳感器集成了模擬前端 (AFE)，無需單獨的芯片并將其連接到光學模塊。Maxim Integrated 聲稱，MAXM86161 傳感器的功耗比最接近的競爭對手低約 35%，工作模式下的功耗低于 10 μA，關斷模式下的功耗為 1.6 μA。

在這里，重要的是要注意，在服務于醫療可穿戴設備市場的傳感器方面，節能和小型化是齊頭并進的。MAXM86161 入耳式心率監測器采用 OLGA 封裝，尺寸為 2.9 x 4.3 x 1.4 mm，包括三個 LED：紅色和紅外線用于 SpO 2?測量，綠色用于心率。

更小、更輕、更不顯眼的生物電位 AFE 芯片可用于心臟監測設備，以確保可穿戴設備不會讓患者佩戴不愉快，并提供更長的電池壽命。Analog Devices Inc. (ADI)的AD8233?芯片設計為 ECG 前端，具有 50 μA 的典型靜態電流，可將功耗降至微安級。

用于醫療可穿戴設備的傳感器平臺

與其他便攜式設計一樣，提供模塊化傳感器平臺以促進醫療可穿戴設備的開箱即用解決方案。例如，iProtoXi 的Aistin Blue開發套件隨附用于健身和活動跟蹤的應用程序示例。它采用了 Kionix 的最新傳感器，現在是 Rohm Semiconductor 的一部分。該套件包括可簡化傳感器配置和數據采集的Kionix Windows 傳感器評估軟件。

另一個例子是 Maxim Integrated 的MAXREFDES101?健康傳感器平臺 2.0（圖 2），它有助于快速原型設計、評估和開發，以準確監測體溫、心率和 ECG。它包括一個手表外殼，里面裝有顯示器、電池、微型板和傳感器板。

圖 2：用于腕戴式設備的傳感器封裝平臺有助于測量心電圖、心率和溫度。（圖片：美信集成）

傳感器板包括一個光學傳感器、一個集成的生物電勢和生物阻抗 AFE、一個溫度傳感器和一個生物識別傳感器集線器。在這里，MAX32664生物識別傳感器集線器通過提供嵌入式固件和算法以及實現與光學傳感器的無縫通信，簡化了開發過程。

Health Sensor Platform 2.0 支持可穿戴設計，從運動手表到心電監護儀，再到健身追蹤器。它還允許開發人員對板載算法進行自己的分析和評估。

傳感器算法的作用

智能手表、健身追蹤器和其他醫療可穿戴設備中的生物傳感器必須高度準確地監測各種健康參數。最常見的生物傳感器類型之一，光學傳感器，就是一個很好的例子。它與相干和非相干光源相互作用，這些光源可以被吸收、反射、散射或分散，從而改變傳感器信號的準確性。

因此，光學傳感器與生命體征監測算法集成在一起，確保充分解決環境光消除和其他運動消除挑戰。其次，如上所述，醫療傳感器應該提供非常小的外形尺寸，以便它們可以很好地融入微型可穿戴設備并消耗最少的功率。

最后，參考設計和開發套件的可用性可以為可穿戴設計工程師節省數月的開發工作，同時提供用于簡單集成新傳感器的先進工具。隨著可穿戴傳感器采用先進的監控系統，這一切都在發生。

審核編輯 黃昊宇