可穿戴设备的健康监护设计方案.doc

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1、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

2、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.

3、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100V/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

4、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

5、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100kHz的干扰信号。模拟信号经过调理后，14位逐次逼近型数模

6、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250mA。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：ADPD1

7、42RG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