医疗设备_2.docx

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1、医疗设备电子产品世界导语：随着互联安康概念的兴起，医疗智能穿戴设备市场逐渐扩大，根据市场研究公司CounterpointResearch调查指出，疫情促使消费者安康意识进步，这更使得医疗智能穿戴设备受到市场青睐，增长幅度不断攀高。本次我们通过技术型分销商Exclpoint世健邀请了来自专业领域企业的工程师冯工跟大家共享实战案例。该公司是世健多年的客户，主要从事医学诊断产品研发、消费、销售及效劳。而冯工有着深沉的学术和实战经历。工程需求可穿戴产品尺寸小，要求器件选型封装小、集成度高;超低功耗，可充电电池供电;有连续监测心率功能;有连续监测血氧饱和度功能;计步功能，能存一个月以上的数据量，掉电不丧

2、失。心率监测方案心率监测可基于心电信号检测，人体心脏的周期性跳动是有生物电信号精细控制的，只要可以捕捉到心电信号，就能计算心率，但是心电检测需要获取人体多处电位，硬件实现复杂、方案本钱高。有一种方案是谐振式检测方案，传感器感应动脉搏动的压力变化，进而统计出心率。但该方案的实现需要将设备放置于人体脉搏明显的部位，对于可穿戴设备佩戴方式将是一种挑战。还有一种方案是光电式检测，根本原理是血液会反射红光而吸收绿光。心脏跳动时，流经皮肤的血液会增加，吸收的绿光也会增加;心跳间隔期，血液在血管中流量减少随之吸收绿光减少。当设备使用绿色LED，配合对光敏感的光电传感器，就可以检测任意时间点流经人体皮肤各处的

3、血液流量，通过统计数据，以每次血流量的最高点作为一次周期，这样就可以计算心率。并且可以将设备设计成手表形态，方便的戴于手腕处。基于光电式的心率监测方案(也称光电容积脉搏波描记法PPG)，硬件上需要有光源驱动、光电转换、模数转换数据处理等模块。一般光源驱动我们选择恒流源(需要可以微调电流和一定的频率开关);光电转换选择光电二极管然后用运放进展流压转换和信号调理;最后用A/D芯片实现模拟量的数字转换并送至MCU进展处理。硬件方案假如采用分立器件，那么芯片数量较多，并且空间受限，所以最好还是采用集成器件。ADI公司拥有多功能光电式测量前端芯片(型号：ADPD105)，完全集成式AFE、ADC、LED

4、驱动器和时序内核，提供一流的环境光抑制性能，无需光电二极管滤光器;灵敏的数字接口SPI、I2C可供选择;功耗低，1.8V模拟/数字超低工作电源，待机形式仅0.3A电流，合适电池供电的设备;灵敏的采样频率范围：0.122Hz3820Hz;多达3个LED恒流源，每通道峰值电流达370mA;拥有WLCSP芯片级封装，极致的小体积合适空间受限应用。其内部功能框图如图1。血氧饱和度监测方案光电容积脉搏波描记法(PPG)不仅可以用于心率检测，通过一定算法处理可以测量血氧，为无创式血氧监测提供了很好的方案。原理：由于氧合血红蛋白(HbO2)和血红蛋白(Hb)这两种物质对波长6001000nm的光具有一定的吸

5、收特性。Hb对600800nm之间的光吸收系数更高，HbO2对8001000之间光的吸收系数更高。所以可以利用红光(600800nm)和接近红外(IR)(8001000nm)的光分别检测HbO2和Hb的PPG信号，再通经过序处理算出相应的比值，这样就得到了血氧值。利用ADPD105其中两通道LED恒流源分别驱动红光LED和近红外LED，另外一通道恒流源驱动绿光LED用于心率检测，对于光承受器可以使用同一个，分时复用，分别去收集心率信号和血氧信号，在最少的器件下高效完成数据收集，综合本钱最低。另外近期关注的ADI新产品ADPD410X，是ADPD系列比拟新的产品，它同时拥有8路LED驱动光路和8

6、路的数据收集通道，更高的集成度和采样精度，同时支持PPG，ECG和EDA的测量。它能作为本案的功能拓展方案。计步功能方案计步方案使用最多的就是三轴加速度传感器，通过算法识别行走时的三轴动态数据，即可实现计步功能。本方案是基于可穿戴设备，因此芯片的功耗、体积成为重要考虑因素。ADXL363是一款超低功耗的3个传感器组合产品，由3轴MEMS加速度计、温度传感器和用于同步转换外部信号的ADC输入端组成。整个系统输出数据速率为100Hz时功耗低于2A，在运动触发唤醒形式下功耗为270nA;1.63.5V工作电源范围，便捷的兼容其他器件的电源;ADXL363还提供针对内部ADC的访问，可同步转换外部的模

7、拟输入。紧凑型的LGA封装非常符合可穿戴式设备应用。其内部功能框图如图2。MCU选型本方案MCU选型需要兼顾高性能和低功耗。ADI公司的ADuCM3029拥有超低功耗特性：活动形式(完全开启形式)：30A/MHz(典型值)，休眠形式(带SRAM保存)：750nA(典型值)，关断形式(可选RTC活动)：60nA(典型值);集成MPU的ARMCortex-M3处理器，高性能内核处理算法游刃有余;集成ECC的256KB嵌入式闪存，方便存储离线数据;较低的电压供电(1.74V至3.6V)可以允许使用纽扣电池;片内外设SPI、UART、IIC、Timer、DAC、DMA、Watchdog应有尽有，方便使

8、用;内置32kHz振荡器和26MHz高频振荡器，也支持外部时钟源;拥有两种紧凑型WLCSP/LFCSP可供选择，适用于体积空间受限的应用。另外可利用高性能的ADuCM4050作为高端晋级版本的选择，它拥有更好的性能和更低功耗在休眠和关断形式下，在：活动形式(完全开启形式)：41A/MHz(典型值)，休眠形式(带SRAM保存)：650nA(典型值)，关断形式(可选RTC活动)：50nA(典型值);ARMCortex-M4F处理器，52MHz，并带FPU,MPU,ITM,SWD接口，兼容性更强，EEC的晋级至512KB，方便存储更多的离线数据;电源方案可穿戴式设备需要可充电电源，一般选用锂电池，因

9、此需要锂电池管理芯片。LTC4065L是一款用于单节锂电池的完好恒流/恒压线性充电器，由于外形尺寸小(DFN封装2mm*2mm)，可以准确地调节低充电电流，因此非常适用于低容量锂电池;而且可以通过USB标准取电工作;还有强大的充电异常保护功能：自动再充电、低电池电量充电调节(涓流充电)、软器动功能(用于限值涌入电流)。方案中MCU、加速度传感器、模拟前端芯片都可以工作在1.8V范围，对于锂电池的3.7V还需要LDO用于降压。由于有模拟电路，故需选择尽量低噪声的LDO。LT3042拥有超低噪声0.8VRMS(10Hz100kHz)，超高电源抑制比(最低79dB1MHz);超低的工作压降(350mV);输出可调(015V);紧凑型DFN封装(3mm*3mm)。0