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醫療健康可穿戴產品成為下一波潮流,ADI帶來突破性的模擬前端和電源芯片

作者:王瑩時間:2021-11-12來源:電子產品世界收藏


本文引用地址:http://www.recipesarchive.com/article/202111/429628.htm

1   健康產品興起

據Yole 2020年發表的報告顯示,健康產品的市場規模從2019年的3.47億件,會持續增長到2025年的7.54億件,復合年均增長率14%。主要驅動力是和消費類穿戴市場。而這兩大驅動力都有共同的潛在需求——對多項關鍵生命體征的監測,這對相關系統和芯片供應商來說是一次非常大的機遇。

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2    用于遠程健康監護的穿戴設備特點

ADI的遠程醫療和關鍵生命體征監護IC產品定位主要包括三類:遠程監測患者;預測、預防性監測;慢病管理。

他們的應用案例很多,意義重大。

例如,腕式穿戴設備可用來檢測心率失常、房顫。戒指形的穿戴設備可以全天無感知地監測生命體征。佩戴在胸腔上的體戴式醫療貼片能檢測多種類型的心率失常疾病。

慢病醫療花銷最大,通過遠程病人監護系統可以及時發現及管理患者,預防病情惡化,減小或消除昂貴的住院治療費用。例如,設備可以連續監測慢性阻塞性肺病(COPD)呼吸疾病,該疾病從全球來看影響著超過2.51億人的生活。

另外,像睡眠窒息癥影響著近10億成年人的睡眠,遠程病人監護可以準確地反饋治療策略的有效性,從而有效減小病癥對生活的影響。

3   傳統醫療與時尚消費正在融合

對于更多的普通人,越來越青睞可穿戴產品的健康追蹤功能。實際上,現在健康監測逐漸從醫院、診所轉向每個人家里的醫櫥。醫櫥是一個象征性的idea,意味著人們逐漸有意識地去使用穿戴式產品來追蹤各項體征數據,例如心率、血氧飽和度、最大涉氧量等數據,并作為他們日常生活的一部分。

越來越多的人意識到了這些新興醫療器件能為他們的生活帶來各種好處,而不是像以前一樣不斷地去醫院咨詢醫生。他們正在用這種前所未有的方式獲取各種健康信息,以更積極的方式來了解自己的健康狀況。

傳統的時尚生活和消費電子的品牌正在向他們的電子設備中加入更多的醫療追蹤功能以獲得更大的市場占有率。

與此同時,傳統的醫療器件廠商也在積極制造看起來非常時尚、外觀上看上去更像是消費電子類的設備。所以這兩個市場正在逐漸靠攏融合,一起來為我們完成日常生活健康追蹤而服務的任務。

4   突破性的模擬前端和電源芯片

便攜式醫療和消費產品需要功能豐富且性能強大的芯片。以遠程監護貼片的系統框圖為例,需要如下圖的組成部分。高性能模擬芯片廠商ADI圖中綠色部分的芯片。

為了滿足可穿戴市場對模擬/電源產品的更高性能的要求,近日,Maxim Integrated(現已并入ADI)帶來了兩款突破性的新產品:①MAX86178,是臨床級的模擬前端(AFE),集成了3個完整的測量系統。② MAX 77659,是電源/電池管理IC,帶有突破性的低功耗單電感多輸出(SIMO)技術。

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1)模擬前端的集成度越來越高

MAX86178是臨床級的模擬前端(AFE),集成了3個完整的測量系統:光學、心電和生物阻抗(BioZ)(如下圖),可以實現4項關鍵生命體征的測量:心電圖(ECG或EKG),心率測量法(或光學PPG測量法),通過生物阻抗測量呼吸率,通過光學PPG測量的SpO2血氧飽和度。

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圖 上面是生物阻抗檢測部分,中間是ECG的測量框圖,最下面是PPG的測量

MAX86178的3個子系統性能強大。

①ECG(心電部分)。模擬前端(AFE)可以做到臨床等級的ECG測量,滿足IEC60601-2-47的醫療標準,即移動式ECG監測的一個標準。

②PPG(光電容積圖)。PPG可以做到臨床等級的血氧檢測,性能可達113 dB信噪比。

③BioZ(生物阻抗)。設計靈活的生物阻抗配置可以支持多種動能的測量,包括ICG,BIA、BIS、GSR/EDA監測。

可見,MAX86178的多功能可以使客戶的多項生命體征檢測系統的設計可以更快地上市。而且相比分立方案,MAX86178的解決方案尺寸可以更小,而且采集信號可以實現和光學PPG和心電ECG系統的同步。另外,MAX86178可以支持多種電源配置,支持針對每個特定的用戶場景進行功耗優化。而且MAX86178的尺寸只有2.6 mm×2.8 mm。

那么,相比之前發布過MAX86176,新產品的改進之處是什么?工業與醫療健康事業部醫療健康產品線總經理Andrew Baker稱,前者是PPG和ECG二合一功能的模擬前端,與后者最大的區別在于后者里新加了生物電阻抗(BioZ)的測量,可以做到更多的BioZ生物阻抗的頻幅掃描,或者EDA等應用;另外,對于ECG和PPG也有一定的改進。ECG更適合于干電極的應用,PPG在信噪比上也有一些提升。

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圖 Maxim Integrated(現已并入Analog Devices)工業與醫療健康事業部醫療健康產品線總經理Andrew Baker

2)多軌電源/電池管理芯片只需1個電感

Maxim Integrated(現已并入Analog Devices)電池電源方案事業部執行總監Karthi Gopalan介紹了可穿戴產品設計的挑戰。

●   舒適度性。因為用戶需要佩戴這些設備很長時間,而且他們需要這些設備輕薄小巧,而且溫度不能升高。

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圖 Maxim Integrated (現已并入Analog Devices)電池電源方案事業部執行總監Karthi Gopalan

●   數據測量的精度。這些數據必須要精確、真實地反應用戶的身體狀況,用戶才會更愿意使用。

●   電池的續航能力。因為用戶不希望反復擔心他們的電池是否沒電了,反復地進行充電。

●   充電時間。如果電池已經沒有電了,我們又急著想要用,那么快速充電就是非常急需的功能。

●   全方位數據。除此之外,集成更多的監測功能,對于這些原始數據的處理和解讀也是系統工程師需要思考和解決的問題。

下圖展示了傳統及未來的解決方案。①左邊是傳統的解決方案,可以看到有一些傳感器在里面,會使用1個傳統的電源管理芯片和幾個獨立的穩壓器來對設備中的各個功能單元進行供電。這樣一般會用功率較小的充電器,因為這些芯片占有的體積相對較大。

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②右邊的解決方案能放進更多的傳感器,諸如GPS、BioZ、音頻等。實際上,在下一代可穿戴的產品中,會需要更多的傳感器來支持更多的功能,需要更強大的AI處理芯片,這都對電源芯片提出了更高的要求。例如更精確的GPS、音頻和觸屏反饋,需要電源方面能夠提供穩定的電壓、電流,使這些傳感器的信噪比不受影響。更快的充電系統方面,需要1個開關模式的充電器。而所有這些功能都需要塞進一個非常小巧輕薄的隨身設備中!

為此,Maxim Integrated(現已并入ADI)推出了低功耗單電感多輸出(SIMO)技術,可以滿足以及超越以上所提到的所有需求。MAX 77659是該公司最新推出的SIMO架構芯片。在傳統芯片中,如果需要3路的開關模式電源的輸出以及1個開關模式的充電,至少需要4個電感,而電感通常是電源方案中外部最大的被動元件。在MAX 77659里,這3路開關模式的輸出以及1路開關模式的充電共用1個電感(如下圖),這樣將物料清單減少了60%,同時總電源解決方案尺寸減小50%。

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另外,相對于市場上現有的其他電源管理芯片,MAX77659可以為可穿戴設備、耳戴式設備和物聯網設備提供4倍的充電速度。通過Maxim Integrated(現已并入ADI)的測試,在短暫充電10 min后,芯片就可以為產品提供4 h的運行時間。

以助聽器充電為例,來說明為什么能達到4倍的充電速率。典型的助聽器電池容量一般在(30~60)mA·h,當電池接近耗盡的時候,電池電壓約為3 V,這時會希望用2C、3C的電流來為電池充電,以便更快地用上這個助聽器。

然而如果電池電壓只有3 V,線性充電器的效率會非常低,產生的熱量也較多。而且為了做到防塵防水,設備一般是密封的,所以充電產生的熱量會被包裹在設備內部,無法向外散熱。

升高的溫度會觸發標準的安全充電保護,使充電速率大幅度降低。ADI的MAX77659帶有自主的裕量跟蹤功能,能夠在同樣的工作條件下,使快速充電產生的熱量顯著降低。

如下圖,在同樣的條件下對2個電池進行充電,2個電池都維持在3 V左右。上面那個目前的解決方案是采用現有的用線性充電器來充電的,可以看到,數據采集是在充電開始后30 s,最起始的位置溫度約為30 ℃,您能看到30秒以后,芯片的溫升已達25 ℃,這會觸發保護功能,從而降低充電速率。

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而下面的MAX77659能夠提供的性能狀況非常良好。可以看到起始位置同樣是在30℃,30 s進入充電過程之后,芯片溫度依然維持在37 ℃以下,因此能讓充電速度更長時間地保持在2C~3C的速率,進而大幅縮短充電所需的時間。

5   穿戴產品設計的難點是什么

1)模擬前端。在加入更多的傳感器設計的時候,會考慮到需要用哪些通道,哪些信號的類型需要怎樣去相互干擾的特性。另外,在系統設計時也可能會考慮到多個信號的同步,例如在測量ECG、PPG等多種信號時,對于某些衍生的生命體征的算法開發也會考慮到嚴格的時鐘同步。

一些生命體征指數,例如怎樣去提升穿戴產品的血氧測量?例如在手腕上測血氧,人的血流信號是從弱到強分布很廣,對于有些人,或者在某些場景下,他們的血流灌注指數(PI)非常低。在這種情況下,模擬前端需要非常高的信噪比來實現相對精準的測量。

ECG在穿戴產品設計里也面臨一些挑戰。例如,對于干皮膚的測量,冬天在比較干燥的北方,或者在空調房間里,皮膚可能極度干燥,這種情況下較難測量。

對此,MAX86178以及之前的MAX86176有相關的解決方案和設計指南,可在多場景下達到醫學標準。

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2)電源。在系統設計時需要非常慎重地考慮到供電。因為對于這些模擬前端,要有非常干凈的電源,以便在測量這些生物傳感的體征時,系統上的噪聲盡量減小。

MAX77659的優勢是:客戶無需擔心傳統的解決方案之間各個元件之間的配置問題。因為內部已做過非常多的測試,像對于信號完整性要求比較高的這種醫療的傳感器是其中一類;還有GPS,音頻的設備等,對于信號的完整性要求是比較高的。客戶開始會覺得這是一個新架構,他們會比較保守,想用他們已經知道的,而為了展現SIMO是非常可靠的解決方案,對于音頻、醫療、GPS等應用都做過大量測試。

還有另外一個需要說明的點是,如果某一個功能元件對電源的要求非常敏感, MAX77659也提供了一個LDO來額外地提供PSRR(電源抑制比),能夠大幅度降低噪聲等。

再有,Maxim Integrated(現已并入ADI)已經給很多這類客戶提供了數以百萬計的產品,有豐富的經驗和穩定的產品。

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5   客戶可做出差異化的產品

1)傳感器、模擬前端/MAX86178角度,客戶可以做很多差異化的地方。例如在做PPG的光學設計上可以有非常大的靈活度,客戶可以根據自己的產品ID(Industrial Design)、產品外觀設計需求去調整光學設計。ECG方面,可以通過不同的電極設計、電極尺寸、電極材料等去做差異化。

更重要的一點是,盡管基于同一MAX86178模擬前端,數據的分析以及做不同的云端分析也可體現差異化。因為生命體征可以用在不同的應用場景,有不同的云端服務。

2)從電源/MAX77659的角度。因為SIMO提供了多路輸出,能使客戶更加靈活地決定要加入什么樣的功能,例如對于特定的應用場景,如果經常運動的人,可能運動時出汗較多,產品可能做防水設計;對于老年人也有不同的需求。

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6   小結

可穿戴醫療設備的未來正在加速到來,這種監護設備尺寸更小,功能更先進。MAX86178這樣的三合一系統用單芯片完成了4項生命體征的采集,使心電圖、心率、血氧飽和度、呼吸率的采集系統變得更精簡。這4種生命體征的監測讓疾病預防以及慢病管理變得觸手可及,讓醫療健康更加個人化。

未來的發展是以患者為中心的衛生系統時代。全球范圍內的趨勢是護理系統從碎片化,往更融合、移動、快捷的醫療保障系統的方向轉變。MAX77659突破性的集成了內置開關模式的充電體系,可以為醫療保健系統的設備減少60%的物料清單。ADI完整的電源方案包括了充電器,開關模式的輸入,以及LDO、GPIO等,不僅提供了電力還能使充電速度提高4倍。該高度集成的方案能將電源的解決方案尺寸縮小50%,使系統工程師能更容易設計出更多傳感器功能更加豐富,且外觀更加緊湊的設備。



關鍵詞: 可穿戴 醫療

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