从可穿戴设备过渡到医疗设备

人口正在老龄化，越来越多的人需要健康支持，这对医疗保健的总体支出产生了重大影响。由于这种情况，当局和健康保险公司更加重视预防、健康意识和生活方式。一般来说，这不仅仅是锻炼更多或更好的营养摄入量——对监测某些重要的身体参数更感兴趣。这就是为什么智能和健康手表业务的公司在过去几年中收入增长的原因。

购买健康手表和测量身体参数并不意味着您活得更健康。健康生活的诀窍是，您长时间监测某些身体参数，以更熟悉这些数字，并利用它们来调整您的日常生活以改善健康状况。这个过程可以帮助您更好地了解身体的运作方式以及如何长期降低健康成本。

本文围绕ADI公司最新的可穿戴VSM平台编写，ADI不是最终产品的制造商。然而，该平台旨在作为参考，帮助电子设计师和系统架构师加快开发过程，同时为专业和医疗市场设计更新、更智能、更准确的可穿戴设备。

我们正在测量什么、如何以及在哪里测量

使用可穿戴设备可以测量各种重要参数。根据总体目标，某些规格比其他规格更重要。可穿戴设备在身体上的位置对可以测量和不能测量的内容有很大的影响。最明显的位置是手腕。我们习惯于在手腕上佩戴设备，这就是为什么市场上有这么多产品，如智能手表和腕戴设备的原因。除了在手腕上测量外，头部是可穿戴设备的另一个好位置。例如，耳机和耳塞提供不同的样式，其中包含嵌入式传感器，用于测量心率、血氧饱和度和温度等参数。可穿戴设备在身体上的第三个好位置是胸部。第一代心率监测器是围绕胸带设计的，这种生物电位测量原理仍然是一种非常精确的技术。今天，我们倾向于使用胸贴，因为表带佩戴起来不是很舒服。几家制造商参与了智能补丁的设计，以监控重要参数。

根据身体位置的不同，我们不仅要选择可以测量哪些参数，还要选择应该使用什么技术。对于心率测量，生物电位测量是最古老的技术之一。信号很强，很容易通过使用两个或多个电极从体内检索。对于这种方法，将电路集成到胸带或耳机中是完美的。然而，在手腕等单个点测量生物电位信号几乎是不可能的。您需要测量产生这些电信号的整个心脏。对于单点测量，光学技术更为合适。光被发送到组织中，并且由于动脉中的血流而反射被捕获和测量。从这个光学接收信号中，可以检索逐拍信息。这项技术听起来相当简单。然而，有几个挑战和影响因素会使设计变得非常困难，例如运动和环境光。

ADI公司的第二代可穿戴设备参考平台具有上述大多数技术。该设备设计为戴在手腕上，不过，您也可以取下软带并将设备连接到身体上以将其用作智能贴片。该设备包括支持生物电位测量、光学心率测量、生物阻抗测量、运动跟踪和温度测量的技术，所有这些都集成在一个微型电池供电设备中。

总体目标

ADI公司为什么要设计像GEN II手表这样的系统？像这样的系统的目标是能够以简单的方式测量身体上的几个重要参数。该设备可以同时测量参数并将结果存储在SD卡上，或通过BLE无线连接将其发送到智能设备。由于测量是同时进行的，因此它还可以帮助找到多个测量之间的相关性。生物医学工程师、算法提供商和企业家一直在寻找新技术、应用和用例，以便在早期阶段检测疾病，以尽量减少后期可能对身体产生的负面影响或损害。

一次测量并不能说明什么

ADI公司的新型可穿戴系统结合了嵌入式传感器、处理能力和无线通信，是一款独特的器件。

该光学系统围绕ADPD107光学模拟前端构建。它利用绿色LED来测量PPG和心率，同时集成了一个红外LED，用于接近，以检测设备何时连接到人体。生物电位ECG测量由两个独立的AD8233模拟前端支持。一个前端连接到嵌入在设备中的电极。设备背面的一个电极接触一个肢体，设备顶部的第二个电极可以被另一个肢体（手）触摸以闭合环。第二个模拟前端可通过外部电极测量ECG。这允许用户像智能贴片一样佩戴设备，并将外部电极直接连接到胸部。设备背面的电极具有双重功能。除了心电图测量外，这些还可用于皮肤电活动（EDA）。EDA或皮肤电反应（GSR）与皮肤的电导率有关，皮肤的电导率会因来自内部或外部刺激的情绪而改变。第二代腕表能够检测到电导率的微小变化。电路围绕这一测量原理，包括发射和接收信号链，完全由分立元件构成。它以最小的功耗提供高水平的精度。最后但并非最不重要的一点是，集成了用于皮肤温度测量的温度传感器和3轴超低功耗MEMS传感器（ADXL362）。MEMS传感器跟踪运动。这可用于运动轮廓分析，但运动引起的伪影也可以在其他测量中得到补偿。运动始终是一个重要方面，因为包括心率、SPO2 或呼吸频率在内的几个重要参数非常依赖于活动，因此必须测量身体的运动。

慢跑时心率为 140 bpm 很好，但如果您坐在沙发上时心率为 140 bpm，您可能需要担心。通过组合各种传感器信号，还可以支持新的应用。

集成了超低功耗ADuCM3029，用于收集传感器数据并运行算法。图2概述了传感器板上的集成器件。

图2.传感器板第二代手表平台。

压力和持续血压

对于心率，需要ECG或PPG测量，因此这不需要传感器输出的组合，除非我们想补偿来自运动的伪影。需要多次测量的用例包括压力管理或连续血压监测。情绪状态可以通过监测皮肤电导率的变化来测量。这只是一个参数，但如果我们要将其与监测其他参数（例如心率和心率变异性 （HRV））相结合，则测量值会增加很多。皮肤温度也可以作为测量压力的额外输入。血压监测是另一个有趣的用例。这是一个非常重要的参数——值得庆幸的是，大多数系统都是基于袖带的，很难集成到可穿戴和连续系统中。但是，有一些技术可用于测量血压而无需袖带。一种技术通过利用脉冲波传输时间（PTT）来实现这一点。动脉PTT信号可以在R波心脏收缩时刻和脉冲到达手指时间之间测量。该传输时间与血压有直接关系。图3显示了心电图与PPG的组合测量结果。该手表可用于此测量，因为它支持在一个设备中测量ECG和PPG测量。

图3.心电图测量与PPG相结合。

原型到产品

第二代手表在小型可穿戴设备中嵌入了许多高性能传感器和功能。除了电子设计外，还考虑了许多机械方面。这使得该平台对专注于半专业和专业运动市场以及医疗市场的设计公司和设备制造商非常有吸引力。可以同时测量多个参数，但是，算法需要补充应用程序并支持用例。该器件将使开发人员和设备制造商能够快速启动开发过程，无需在测试前验证算法和构建。GEN II腕表数量有限，ADI非常有兴趣与设计公司和算法提供商合作开发最先进的系统，出售给专业护理人员和健康保险公司。有些特性已经符合医疗规范，而其他特性仍需要改进，但ADI绝对走在正确的轨道上。

审核编辑：郭婷