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健康監測邁向穿戴式設計

2015年01月27日  | Jan-Hein Broeders

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在我小時候,我媽老是得確定我有足夠的零錢,能在緊急狀況下打個電話。而在二十年後,手機就讓我們能夠在任何時間和地點打電話。經過20年的創新,我們的智慧型裝置,功能的重點不再是打電話,而是可以拍攝出美麗的照片,串流音樂和視訊,提供各種服務──現在並成為我們私人教練。這個裝置裝有感測器,或連接到人身穿戴式感測器,可監視日常的活動和個人的健康。對健康的意識不斷提升讓我們對量測維生的重要參數(如心跳速率、體溫、血氧濃度、血壓、活動量和消耗的卡路里)更加的感興趣,並密切注意其每天的趨勢。


現在,一顆具著多個感測器的通用感測器前端,就可以監控這些參數。但最大的挑戰則是要儘可能縮小尺寸,並儘可能延長電池壽命。本文針對快速成長的穿戴式電子產品市場,提出了可以滿足其需求的解決方案。


最重要的生命徵象

如果沒有心跳,我們就麻煩大了,所以脈搏或心跳速率是迄今為止要監視的最重要參數。除了每分鐘脈搏數之外,我們還想要由活動的函數來檢查心臟的行為。節律也很重要,因為心跳速率的迅速變動是心臟疾病的徵兆。


監測心跳速率和心臟活動傳統上是經由測量電生理訊號與心電圖(ECG)來完成。將電極連接到身體來量測心臟組織中所引發電氣活動的信號。這項原理用於專業診斷系統,其中有多達10個電極連接到胸部和四肢。心電圖提供關於一次心跳各種組成(P、QRS和T波)的詳細資訊。


圖1. AD8232單導聯心電圖前端。
圖1. AD8232單導聯心電圖前端。

單導聯心電圖在體育界是比較常見的,使用有兩個電極的胸部固定帶測量心臟活動。雖然也可以檢測ECG波形,但在大多數系統中只是測量心跳速率。固定帶用起來並不舒服,所以體育界和健身界也在尋找替代品,例如將電極整合到運動衫。如圖1所示的AD8232單導聯心跳速率監測儀前端,就是為這種低功率穿戴式的應用而開發。包括一個儀表放大器,有100 V/V增益,還包括一個高通濾波器,以阻隔由皮膚上的電極的半電池電位所產生的偏移電壓。輸出緩衝器和低通濾波器則可拒斥由肌肉活動(EMG信號)所產生的高頻分量。這種低功率的前端,只汲取170μA電流,可與ADuCM350 16位元單晶片電表來執行高性能、單導聯心電圖的測量。


測量心跳速率的新方法

用於測量心跳速率的新趨勢是光體積變化描述波形(photoplethysmogram,PPG),這是一種擷取心臟資訊而無需測量電生理訊號的光學技術。PPG向來主要用於測量血氧濃度(SpO2),但也可以在無需量測電生理訊號下提供心臟的資訊。有了PPG技術,心跳速率監測器就可以整合在穿戴式設備,如手錶或手鐲上。這在電生理訊號系統下是辦不到的,因為信號準位太微弱。


在光學系統中,發射光穿過皮膚表面。光通過被紅血球吸收後,剩餘的光線由光感測器測定。當心臟跳動時,不斷變化的血量散射所接收的光量。當量測手指或耳垂時,其中有大量的動脈血可測,因此紅光或紅外光源可提供最佳的準確度。然而,動脈根本不是位於手腕上方,因此在手腕佩戴裝置中,脈搏組成必須從剛好在皮膚表面之下的靜脈和微血管來檢測,使得綠光更有效。


圖2所示的ADPD142光學模組,設有一個完整的光度前端,並整合光感測器、電流源和LED。由於是為量測反射光而設計,因此可以用來實作PPG測量。所有元件都安裝在一個小模組裡。


圖2. ADPD142光學模組。
圖2. ADPD142光學模組。

光學VSM的挑戰

腕戴裝置上測量PPG的主要挑戰是由環境光線和運動產生的假象。太陽光是產生直流誤差,比較容易抵消,但日光燈管和節能燈泡的光線帶有頻率成分,會造成交流誤差。類比前端使用兩個組織,來拒斥由直流到100 kHz的干擾源。類比信號經調節後,以14位元、連續逼近型類比至數位轉換器(ADC)將信號數位化,再通過I2C介面傳送到微控制器進行最後處理。


同步傳輸路徑與光學接收器平行整合進來。其獨立的電流源可驅動兩顆個別LED,電流準位可程式到高達250 mA。LED的電流為脈波,脈波長度為微秒級,因此平均功率消耗可維持得較很低,以儘可能延長電池壽命。


LED驅動電路是動態的,並可隨手配置,使其獨立於環境條件之外,如環境光源、穿戴者的膚色和毛髮顏色,以及感測器和皮膚之間的汗水,否則將降低靈敏度。受到激發的LED可以很容易地被配置為建立一個自動適應系統。所有時序和同步是由類比前端處理,所以系統處理器不會增加負荷。


ADPD142有兩個版本:ADPD142RG整合了紅色和綠色LED,支援光學心跳速率監測;而ADPD142RI整合紅光和紅外線LED,用於血氧濃度(SpO2)的測量。


動作的影響

動作也會擾亂光學系統。當光學心跳速率監測器用於睡眠研究時,這可能不是問題,但運動時佩戴的運動手錶和手鐲,就很難抵消動作的假影。光學感測器(LED和光檢波器)和皮膚之間的動作將降低光學信號的靈敏度。此外,動作的頻率成分可能會被視為心跳速率的量測結果,所以該動作必須經過量測和補償。將裝置緊貼身體可降低影響,但要用機構的手段來抵消幾乎是不可能的。


有多種方法可以用來測量動作。一種是光學法,使用多個發光二極體的波長。若是共模信號則是動作,而若是差動信號則為檢測的心跳速率。然而,若能使用真正的運動感測器則更棒。這不僅可以準確測量施加於穿戴式裝置上的動作,還可以用於其他功能,如動作循跡、計步,或在偵測到g力時啟動該應用。


ADXL362微功耗3軸MEMS(microelectromechanical system,微機電系統)加速度計非常適合電池供電型穿戴式應用的動作感知。其12位元ADC轉換加速度到1 mg解析度的數位信號。消耗功率根據取樣速率來動態縮放,並且是唯一的,在100 Hz的資料輸出速率下只消耗1.8 μA,在400 Hz則為3.0μA。更高的資料速率對於使用者界面非常有用,如輕擊/雙擊偵測(tap/double-tap detection)。


用於偵測到動作才啟動的應用,並不需要高速取樣,因此資料速率可以降低到6 Hz,得到300 nA的平均功率消耗。這使得這顆感測器對於低功率應用和植入式裝置相當具有吸引力,因為這些裝置的電池更換起來都不輕鬆。ADXL362是一個使用3.0 mm × 3.25 mm封裝。圖3顯示了幾種電源電壓的電源電流與資料輸出速率的比較。


圖3. ADXL362電源電流作為資料輸出速率的函數。
圖3. ADXL362電源電流作為資料輸出速率的函數。

(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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