下一代可穿戴设备作为诊断和监控设备，将通过添加人工智能和云分析来促进对各种状况的全面评估，从而使医疗保健领域从被动变为主动。大多数这些可穿戴设备都连接到物联网系统，因此可以方便患者在家中进行医疗。
随着患者的日常生活，医疗级可穿戴设备(如智能温度计和网联吸入器)为医疗保健专业人员提供了更大的数据集。然而，这些可穿戴设备必须将无缝连接和更长的电池寿命与小尺寸、易于集成和传感器精度结合起来。
医用腕带和智能手表等注重健康和生活方式的消费设备，侧重于预防和维护，而不是治疗。消费类可穿戴设备提供健康追踪功能，例如血氧饱和度监测、睡眠追踪、心电图(ECG)感应和心脏健康监测。
单个可穿戴设备可以监测多种生物标志物——体温、血压、身体水合作用、酒精、乳酸和葡萄糖趋势——同时实现对一个人的健康和福祉的实时和非侵入性监测(图1)。据德勤(Deloitte)预测，到2024年，可穿戴医疗传感器市场将以19%的复合年增长率增长，2024年将有2.8亿个智能手表/健身追踪器和1.6亿个可穿戴医疗传感器出货。
消费级和医疗级可穿戴设备设计的硬件和软件领域正在发生很多事情。首先，让我们来看看故事的硬件方面。
图1：智能手表提供了健康追踪功能，例如血氧饱和度监测、睡眠追踪、ECG感应和心脏健康监测。(图片来源：Shutterstock)
在医疗保健应用的可穿戴设备设计方面，中小型半导体公司显得相当突出。以Onera Health为例，这是一家起源于比利时微电子研究中心imec的荷兰裔美国公司。Onera Health最近展示了一种用于可穿戴设计的超低功耗生物信号芯片。
其生物医学片上系统(SoC)能够获取和处理多种生物信号，现在可用于广泛的医疗保健应用可穿戴设备(图2)。这家总部位于荷兰埃因霍温的半导体公司声称其生物医学芯片实验室将临床级生理测量和分析与超低功耗相结合，以更好地服务于空间受限的医疗可穿戴设计。
图2：Onera在美国拉斯维加斯举行的CES 2022之前展示了其“生物医学芯片实验室”。(图片来源：Onera Health)
它是一种多通道传感器读出系统，具有集成的数据处理、电源管理和接口功能。广泛的片上生物医学传感器读数包括10个ExG、EEG、ECG、EMG和EOG覆盖范围的读数、两个生物阻抗读数，以及两个光电体积描记法(PPG)读数。该芯片还提供了大量的SRAM和嵌入式闪存，以支持具有精确数据同步的多个数据流。
此外，该生物医学芯片具有多个标准接口：通用异步接收器/发送器(UART)、串行外设接口(SPI)、I2C和I2S。接口部分对于准确可靠地测量心电图、温度和微分电容等一系列生命体征至关重要。
此外，医疗保健接口IC的设计必须能够服务于医疗保健可穿戴设备和健身追踪器的各种家用和一次性医疗传感器。例如，EnSilica所推出的ENS62020传感器接口IC，旨在与物联网处理器一起工作，每个传感器仅消耗约10µA。
ENS62020接口IC具有高度灵敏的电容式传感器接口，使其适用于采用MEMS传感器的设计。它包含两个光电二极管驱动器/光电检测器读数、两个差分ECG传感器通道(适用于噪声水平＜1.6µVrms的三导联ECG)、一个高灵敏度电容传感器通道、一个温度传感器和一个低功耗模数转换器。
软件方面也有很多动作。Zepp Health最近发布了用于可穿戴设计的Huangshan 2S芯片，还发布了智能手表操作系统(OS)。该公司声称，Zepp OS的大小为55MB，是该公司之前的Amazfit OS大小的1/10，是Apple WatchOS 8大小的1/28。
Zepp OS支持4G/5G模块，集成了TCP/IP网络协议，让智能手表无需智能手机即可直接连接云端。此外，它还具有稳定的蓝牙通道，可连接智能手机、智能家居、支付系统和其他医疗保健设备。其小程序框架使开发人员能够创建新的app，以利用来自公司生物传感器阵列和人工智能芯片的数据。
Zepp Health已将用于可穿戴设计的Zepp OS和Huangshan 2S芯片授权给中国的易通科技，该公司正在使用这些技术构建模块来建立与汽车和智能家电的连接。
用于活动监控、上下文和手势识别的软件算法，构成了可穿戴设计配方的另一个关键部分。例如，Maxim(现为ADI的一部分)的MAXREFDES104#健康传感可穿戴应用评估和开发平台具有一个生物识别算法中心，内嵌心率、氧饱和度和ECG算法。算法输出和原始数据可以通过蓝牙传输到PC GUI，用于演示、评估和定制开发。
健康传感器可穿戴平台集成了二合一PPG加ECG模拟前端传感器、人体温度传感器、微控制器、电源管理IC和三轴加速度计。医疗可穿戴设计解决方案采用3D打印外壳。
消费级和医疗级可穿戴设备都在不断小型化，同时它们的测量和分析能力也得到了提高。与此同时，可穿戴设计生态系统继续围绕用于诊断和监控任务的硬件和软件构建块构建。
医疗可穿戴设计的此类突破可以帮助数百万与睡眠、神经、心脏和呼吸护理相关的健康疾病和慢性疾病作斗争的人。在此，功能强大的SoC在继续提高处理性能并降低功耗，同时算法也在得到增强，以有效地执行血压测量等任务。
围绕这些硬件和软件构建块构建的下一代医疗可穿戴设备，将可用于各种医疗保健环境。这些设备使临床医生能够使用可操作的数据来个性化护理。此外，这些可穿戴设备可为各种临床和非临床环境中的医生提供生理和健康相关数据，以优化患者护理并降低医疗成本。
在物联网和云技术的帮助下，可穿戴设备在医疗保健领域继续受到关注。而Covid-19疫情只会加剧对消费级和医疗级可穿戴设备的需求。
（原文刊登于EDN姊妹网站EE Times，参考链接：The next medical frontier: Connected wearable devices，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
最前沿的电子设计资讯
