解构ADI新一代VSM芯片，看“4合1”的AFE如何重新定义可穿戴监测标准

“炸鸡配参茶，精酿加枸杞，熬夜敷面膜，蹦迪戴护膝……”作为当代年轻人朋克养生的现状，调侃是真的，惜命也是真的。在放肆与克制之间反复横跳，高压社会下的年轻人们没能避免失眠、肥胖、暴躁等逐渐带来的“疑难杂症”，倒是让大众对大健康的关注度提升到了前所未有的高度。再有我国素来养生观念的加成下，无论是生活方式、情绪健康、甚至细化到某一具体的小毛病，人们都渴望找到与之对应的解决方式，精准监护与科技养生成为了大健康的“主旋律”，同样也锚定了作为其关键载体的智能可穿戴设备的未来发展方向。

 

 

“目前，可穿戴设备为了更好地支持各项生命体征监测，实现最大程度的人群覆盖度和准确度，正在向更高性能的方向发起冲击。”ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源在最近的一次采访中如此表示，并且ADI最新发布的可穿戴健康领域的产品——多合一的健康传感器模拟前端芯片ADPD7000就很好地为他的观点做了背书。作为VSM的最新款产品，ADPD7000系列专为测量各种生命体征信号而设计，适用于可穿戴式VSM设备。在上一代的基础上，ADPD7000新增皮肤电活动(GSR)测量功能，再集光电体积脉搏波(PPG)、心电图(ECG)、身体阻抗分析(BIA)四合一，实现了更准确的血氧、心率、心电、体脂甚至是情绪反应等人体生理特征指标的监测。

 

 

慢病年轻化下的健康焦虑

可穿戴撕去“鸡肋”标签走向刚需

“30岁的人，60岁的病”正在部分成为社会现实。有数据显示，目前我国慢病人群数量已超4亿人，而15岁以上人群发病率超34%，尤其是糖尿病、高血压、心脏病......这些曾经的“老年病”，越来越频繁地发生在年轻人身上。“由于大部分慢性病或多或少都有一些症状会提前显现，我们最好能对这些亚健康状态进行监测，提早发现，及时治疗，这也是可穿戴医疗设备存在的意义。”何源表示。

 

凭借实时监测提前亚健康预警，在如今养生年轻化和社会老龄化的阶段，可穿戴医疗设备市场规模不断扩大。根据睿略市场调研的数据显示，2022年全球可穿戴医疗设备市场规模达774.83亿元，预计到2028年将达到1871.3亿元，年均复合增长率预估为16.09%。然而，可穿戴设备性能良莠不齐，其测量精度一直被业界所诟病“助力不成，反而引发数据焦虑”。直到最近两年，一些可穿戴产品陆续获批为二类器械，消费者逐渐开始改变认知——可穿戴设备发展方向有望为用户提供医疗参考性。

 

 

在该过程中存在不小的挑战，例如相较院内测量的理想环境，可穿戴设备还需考虑诸多额外因素，例如外观设计以及与人体的接触面积、位置和材料等限制。此外，用户的肤色和毛发差异、环境也会对测量结果产生影响，其中典型就是心率、血氧等测量时对光信号的捕捉，肤色太黑导致反射光太微弱、体毛太长导致“动态噪声”等等，甚至伤疤、纹身等因素都会对监测造成挑战。

 

“可穿戴设备必须要能与我们所处的环境与身体状态保持协调。”何源指出，“即使环境恶劣，我们都有办法去达成医疗级甚至更高的性能。当然，客户要打造最终的产品，就不仅仅需要满足性能要求，还必须在尺寸、功耗和成本等很多其他维度上做平衡取舍。”

 

 

“医疗级只是及格线”
 

极限设计思维下的方案功能与性能的突破之路

 

事实上，可穿戴产品在硬件设计上的要求通常比医疗设备还要高，例如动态范围更大，要在电极面积很小、跟院内监测环境没法比的情况下保持监测精准，这就要求可穿戴设备里很多电路要有很精妙的设计。为了实现更高效的光电路径配合，ADPD7000支持的通道数比上一代ADPD6000的LED通道数多了一倍，更多的LED意味着更多的测试点，提升数据的准确度。另一方面，多LED意味着可接收多个波长，能够提供更全面的测量功能。据何源透露：“未来该产品系列支持的通道数会更多，但目前的8路在性价比和功能性上拥有非常好的平衡。

”

 

 

此外，ADPD7000还将输入阻抗提升到20G欧，意味着ADPD7000有了更高的动态范围，即使在遇到低温、干皮肤等极端监测环境时腕上覆盖度和准确度都可以显著加强。“干皮肤的情况下，很容易测量不到ECG，这也是为什么在医院测ECG要用很大的电极涂抹导电膏。但这对可穿戴设备是很难实现的，所以从这个角度看，可穿戴的设计要求比对医疗设备的要求还要高。”何源解释道。

 

皮肤的干燥程度同时也会影响在BIA（生物电阻抗分析）时两对测试线的输入阻抗不均衡，不均衡则会带来误差。为了克服这个问题，ADPD7000系列通过精妙的软硬件配合，将其寄生和非对称影响有效降低，以得到更准确的测量结果。在可穿戴设备上，这一点是非常有竞争力的。

 

 

“当市场同质化很严重的时候，真正能给用户带来价值的产品是可贵的。但市场趋势一定是要往有价值的方向去走，所以更高的性能、更多功能的有效集成必然是有价值的。”面对行业挑战，何源表示ADI在设计很多方案的时候都有考虑到极端情况，并在最大程度上实现性能的保障。

 

 

GSR挑战主观情绪可靠监测
 

从万元专业设备到可穿戴普及即将成真

 

正如叔本华所说，人的思维意识是最大的监狱。慢病年轻化的因素有很多，但情绪压力一定是主因之一。世卫组织也曾调查显示，包含心肌炎和冠心病大概有200多种疾病的背后都有不良情绪的因素。“压力总是伴随着焦虑甚至发展为抑郁，而当它找上你时，整个过程都可能无声无息。”何源特别提到，“这样的情绪波动和压力变化如何能通过可穿戴设备持续地捕捉到，对此ADPD7000新增了一项GSR（皮肤电反应）功能。”

 

事实上，GSR并非新技术，早在多年前就应用在了测谎仪上。作为一种生物反馈方式，GSR可以检测人体的情绪变化，反映人在身心上的反应。其检测的原理是当人体受到外界刺激时，皮肤会产生电位变化，这种电位变化被称为皮肤电反应，也被称为皮肤电活性（EDA），或者皮肤电导（SC）。当人体的情绪发生变化时，可以通过观察GSR数据来统计量化。结合目前高压环境下越来越多人由于情绪导致的心理健康问题，该功能在可穿戴设备上的监测实现是让人期待的。据何源介绍，ADPD7000的GSR测量通道复用了ECG和BIA的电路，可以与心率、心率变异性等数据进行结合分析，利用传感器融合技术，实现对用户的精神状态实现更精细化的评价。

 

 

不同于有客观标准的体脂和心率测量，情绪和压力类主观意识上的测量指标更具挑战性，ADPD7000如何在方寸的可穿戴产品上实现准确监测？“首先，该类测试已经有长时间的积累并且具备成体系的标准，在很多专业领域已有应用，ADI一直有参与其中；其次，ADI在该领域处于技术前沿，甚至在可穿戴设备上，有些指标可做到接近上万元专业设备的水平。”何源强调，“相较于之前的产品，ADPD7000的GSR具有更高的动态范围、测量范围和精度。此外，在测量信号不好时能够自动切换激励频率和幅度，这更是一项非常亮眼的创新功能。”除了可穿戴应用，基于ADPD7000的GSR在驾驶舱驾驶者状态监测功能的应用也已经获得开发支持，在前不久的慕尼黑上海电子展上就获得业界厂商的关注。

 

 

另一方面，续航和成本是可穿戴领域最受关注的问题。ADI在电源和芯片技术上提供极高的能量利用率一直是其可穿戴方案竞争力的关键点之一。此次将GSR与PPG、ECG和BIA结合组成四合一的模拟前端，无疑是对其低功耗技术的极致挑战。

 

另一方面，续航和成本是可穿戴领域最受关注的问题，ADI在电源和芯片技术上提供极高的能量利用率一直是其可穿戴方案竞争力的关键点之一。此次ADPD7000将GSR与PPG、ECG和BIA结合组成四合一模拟前端，无疑是对其低功耗技术的极致挑战。“ADPD7000的超高信噪比使得只需要很微弱的光就能实现监测，同时新增的GSR也是超低功耗，可以做到持续检测且基本不影响电池续航。”何源介绍道，“此外，PPG中200mV的顺从电压（Compliance Voltage），也会节省系统电源设计，简化客户的系统设计，并节省BOM成本。”

 

 

全栈系统方案背后
 

是本土化策略实现的全球化优势

 

深度的本土化战略使ADI中国能够敏捷地响应本地市场的创新需求，更好地融入本地产业生态，同时兼顾全球市场。在何源的分享中，ADPD7000由本土团队打造的特质被他多次强调，这背后是ADI的“in China for China”核心战略：“像ADPD7000这样的VSM生命体征监测方案，我更喜欢在前面加个C，即CVSM——这是ADI中国产品事业部更定向给中国客户开发的产品。”此外，ADI与生态合作伙伴的关系也远远不是卖货这么简单，ADI提供的是一套全栈式方案，包括行业资源、海内外资源的对接等。据悉，目前ADI的合作伙伴已经基于该系列芯片，在无创测量血压、更精准的情绪/抑郁/压力/疲劳度监测等方面实现了突破。

 

像ADPD7000这样的系统级方案，除了芯片外还提供了很多额外服务，远远超出了芯片本身，比如光学结构的设计、软硬件设计，包括算法、系统集成等等。“ADPD7000自研芯片搭配自研算法，也是本土设计的优势。在心率、血氧、心率变异性、离腕检测、房颤、睡眠、体内含水量、血红蛋白含量等领域ADI都有自研算法，这些实战应用也都体现了ADI硬件结合算法的优势。”何源举例道。

 

 

“我们对客户，也有很庞大的支持体系，本地产品线、系统团队、销售和FAE之外，有行业上丰富的合作伙伴，能够对客户实现全方位的支持。”何源强调道。而作为业界优质的方案提供商，近年来ADI不断深化本地战略，为了更好地服务于本土客户，成立了中国产品事业部，全链条本土化芯片定义、设计、制造、封装、测试，具备领先技术、丰富资源、24小时服务响应和本地供应链等多重优势，助力厂家打造差异化的产品，用实际行动帮客户实现快速的量产落地。

原文转自亚德诺半导体