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医疗健康可穿戴产品成为下一波潮流,ADI带来突破性的模拟前端和电源芯片

作者:王莹时间:2021-11-12来源:电子产品世界收藏


本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/202111/429628.htm

1   健康产品兴起

据Yole 2020年发表的报告显示,健康产品的市场规模从2019年的3.47亿件,会持续增长到2025年的7.54亿件,复合年均增长率14%。主要驱动力是和消费类穿戴市场。而这两大驱动力都有共同的潜在需求——对多项关键生命体征的监测,这对相关系统和芯片供应商来说是一次非常大的机遇。

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2    用于远程健康监护的穿戴设备特点

ADI的远程医疗和关键生命体征监护IC产品定位主要包括三类:远程监测患者;预测、预防性监测;慢病管理。

他们的应用案例很多,意义重大。

例如,腕式穿戴设备可用来检测心率失常、房颤。戒指形的穿戴设备可以全天无感知地监测生命体征。佩戴在胸腔上的体戴式医疗贴片能检测多种类型的心率失常疾病。

慢病医疗花销最大,通过远程病人监护系统可以及时发现及管理患者,预防病情恶化,减小或消除昂贵的住院治疗费用。例如,设备可以连续监测慢性阻塞性肺病(COPD)呼吸疾病,该疾病从全球来看影响着超过2.51亿人的生活。

另外,像睡眠窒息症影响着近10亿成年人的睡眠,远程病人监护可以准确地反馈治疗策略的有效性,从而有效减小病症对生活的影响。

3   传统医疗与时尚消费正在融合

对于更多的普通人,越来越青睐可穿戴产品的健康追踪功能。实际上,现在健康监测逐渐从医院、诊所转向每个人家里的医橱。医橱是一个象征性的idea,意味着人们逐渐有意识地去使用穿戴式产品来追踪各项体征数据,例如心率、血氧饱和度、最大涉氧量等数据,并作为他们日常生活的一部分。

越来越多的人意识到了这些新兴医疗器件能为他们的生活带来各种好处,而不是像以前一样不断地去医院咨询医生。他们正在用这种前所未有的方式获取各种健康信息,以更积极的方式来了解自己的健康状况。

传统的时尚生活和消费电子的品牌正在向他们的电子设备中加入更多的医疗追踪功能以获得更大的市场占有率。

与此同时,传统的医疗器件厂商也在积极制造看起来非常时尚、外观上看上去更像是消费电子类的设备。所以这两个市场正在逐渐靠拢融合,一起来为我们完成日常生活健康追踪而服务的任务。

4   突破性的模拟前端和电源芯片

便携式医疗和消费产品需要功能丰富且性能强大的芯片。以远程监护贴片的系统框图为例,需要如下图的组成部分。高性能模拟芯片厂商ADI图中绿色部分的芯片。

为了满足可穿戴市场对模拟/电源产品的更高性能的要求,近日,Maxim Integrated(现已并入ADI)带来了两款突破性的新产品:①MAX86178,是临床级的模拟前端(AFE),集成了3个完整的测量系统。② MAX 77659,是电源/电池管理IC,带有突破性的低功耗单电感多输出(SIMO)技术。

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1)模拟前端的集成度越来越高

MAX86178是临床级的模拟前端(AFE),集成了3个完整的测量系统:光学、心电和生物阻抗(BioZ)(如下图),可以实现4项关键生命体征的测量:心电图(ECG或EKG),心率测量法(或光学PPG测量法),通过生物阻抗测量呼吸率,通过光学PPG测量的SpO2血氧饱和度。

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图 上面是生物阻抗检测部分,中间是ECG的测量框图,最下面是PPG的测量

MAX86178的3个子系统性能强大。

①ECG(心电部分)。模拟前端(AFE)可以做到临床等级的ECG测量,满足IEC60601-2-47的医疗标准,即移动式ECG监测的一个标准。

②PPG(光电容积图)。PPG可以做到临床等级的血氧检测,性能可达113 dB信噪比。

③BioZ(生物阻抗)。设计灵活的生物阻抗配置可以支持多种动能的测量,包括ICG,BIA、BIS、GSR/EDA监测。

可见,MAX86178的多功能可以使客户的多项生命体征检测系统的设计可以更快地上市。而且相比分立方案,MAX86178的解决方案尺寸可以更小,而且采集信号可以实现和光学PPG和心电ECG系统的同步。另外,MAX86178可以支持多种电源配置,支持针对每个特定的用户场景进行功耗优化。而且MAX86178的尺寸只有2.6 mm×2.8 mm。

那么,相比之前发布过MAX86176,新产品的改进之处是什么?工业与医疗健康事业部医疗健康产品线总经理Andrew Baker称,前者是PPG和ECG二合一功能的模拟前端,与后者最大的区别在于后者里新加了生物电阻抗(BioZ)的测量,可以做到更多的BioZ生物阻抗的频幅扫描,或者EDA等应用;另外,对于ECG和PPG也有一定的改进。ECG更适合于干电极的应用,PPG在信噪比上也有一些提升。

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图 Maxim Integrated(现已并入Analog Devices)工业与医疗健康事业部医疗健康产品线总经理Andrew Baker

2)多轨电源/电池管理芯片只需1个电感

Maxim Integrated(现已并入Analog Devices)电池电源方案事业部执行总监Karthi Gopalan介绍了可穿戴产品设计的挑战。

●   舒适度性。因为用户需要佩戴这些设备很长时间,而且他们需要这些设备轻薄小巧,而且温度不能升高。

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图 Maxim Integrated (现已并入Analog Devices)电池电源方案事业部执行总监Karthi Gopalan

●   数据测量的精度。这些数据必须要精确、真实地反应用户的身体状况,用户才会更愿意使用。

●   电池的续航能力。因为用户不希望反复担心他们的电池是否没电了,反复地进行充电。

●   充电时间。如果电池已经没有电了,我们又急着想要用,那么快速充电就是非常急需的功能。

●   全方位数据。除此之外,集成更多的监测功能,对于这些原始数据的处理和解读也是系统工程师需要思考和解决的问题。

下图展示了传统及未来的解决方案。①左边是传统的解决方案,可以看到有一些传感器在里面,会使用1个传统的电源管理芯片和几个独立的稳压器来对设备中的各个功能单元进行供电。这样一般会用功率较小的充电器,因为这些芯片占有的体积相对较大。

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②右边的解决方案能放进更多的传感器,诸如GPS、BioZ、音频等。实际上,在下一代可穿戴的产品中,会需要更多的传感器来支持更多的功能,需要更强大的AI处理芯片,这都对电源芯片提出了更高的要求。例如更精确的GPS、音频和触屏反馈,需要电源方面能够提供稳定的电压、电流,使这些传感器的信噪比不受影响。更快的充电系统方面,需要1个开关模式的充电器。而所有这些功能都需要塞进一个非常小巧轻薄的随身设备中!

为此,Maxim Integrated(现已并入ADI)推出了低功耗单电感多输出(SIMO)技术,可以满足以及超越以上所提到的所有需求。MAX 77659是该公司最新推出的SIMO架构芯片。在传统芯片中,如果需要3路的开关模式电源的输出以及1个开关模式的充电,至少需要4个电感,而电感通常是电源方案中外部最大的被动元件。在MAX 77659里,这3路开关模式的输出以及1路开关模式的充电共用1个电感(如下图),这样将物料清单减少了60%,同时总电源解决方案尺寸减小50%。

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另外,相对于市场上现有的其他电源管理芯片,MAX77659可以为可穿戴设备、耳戴式设备和物联网设备提供4倍的充电速度。通过Maxim Integrated(现已并入ADI)的测试,在短暂充电10 min后,芯片就可以为产品提供4 h的运行时间。

以助听器充电为例,来说明为什么能达到4倍的充电速率。典型的助听器电池容量一般在(30~60)mA·h,当电池接近耗尽的时候,电池电压约为3 V,这时会希望用2C、3C的电流来为电池充电,以便更快地用上这个助听器。

然而如果电池电压只有3 V,线性充电器的效率会非常低,产生的热量也较多。而且为了做到防尘防水,设备一般是密封的,所以充电产生的热量会被包裹在设备内部,无法向外散热。

升高的温度会触发标准的安全充电保护,使充电速率大幅度降低。ADI的MAX77659带有自主的裕量跟踪功能,能够在同样的工作条件下,使快速充电产生的热量显著降低。

如下图,在同样的条件下对2个电池进行充电,2个电池都维持在3 V左右。上面那个目前的解决方案是采用现有的用线性充电器来充电的,可以看到,数据采集是在充电开始后30 s,最起始的位置温度约为30 ℃,您能看到30秒以后,芯片的温升已达25 ℃,这会触发保护功能,从而降低充电速率。

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而下面的MAX77659能够提供的性能状况非常良好。可以看到起始位置同样是在30℃,30 s进入充电过程之后,芯片温度依然维持在37 ℃以下,因此能让充电速度更长时间地保持在2C~3C的速率,进而大幅缩短充电所需的时间。

5   穿戴产品设计的难点是什么

1)模拟前端。在加入更多的传感器设计的时候,会考虑到需要用哪些通道,哪些信号的类型需要怎样去相互干扰的特性。另外,在系统设计时也可能会考虑到多个信号的同步,例如在测量ECG、PPG等多种信号时,对于某些衍生的生命体征的算法开发也会考虑到严格的时钟同步。

一些生命体征指数,例如怎样去提升穿戴产品的血氧测量?例如在手腕上测血氧,人的血流信号是从弱到强分布很广,对于有些人,或者在某些场景下,他们的血流灌注指数(PI)非常低。在这种情况下,模拟前端需要非常高的信噪比来实现相对精准的测量。

ECG在穿戴产品设计里也面临一些挑战。例如,对于干皮肤的测量,冬天在比较干燥的北方,或者在空调房间里,皮肤可能极度干燥,这种情况下较难测量。

对此,MAX86178以及之前的MAX86176有相关的解决方案和设计指南,可在多场景下达到医学标准。

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2)电源。在系统设计时需要非常慎重地考虑到供电。因为对于这些模拟前端,要有非常干净的电源,以便在测量这些生物传感的体征时,系统上的噪声尽量减小。

MAX77659的优势是:客户无需担心传统的解决方案之间各个元件之间的配置问题。因为内部已做过非常多的测试,像对于信号完整性要求比较高的这种医疗的传感器是其中一类;还有GPS,音频的设备等,对于信号的完整性要求是比较高的。客户开始会觉得这是一个新架构,他们会比较保守,想用他们已经知道的,而为了展现SIMO是非常可靠的解决方案,对于音频、医疗、GPS等应用都做过大量测试。

还有另外一个需要说明的点是,如果某一个功能元件对电源的要求非常敏感, MAX77659也提供了一个LDO来额外地提供PSRR(电源抑制比),能够大幅度降低噪声等。

再有,Maxim Integrated(现已并入ADI)已经给很多这类客户提供了数以百万计的产品,有丰富的经验和稳定的产品。

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5   客户可做出差异化的产品

1)传感器、模拟前端/MAX86178角度,客户可以做很多差异化的地方。例如在做PPG的光学设计上可以有非常大的灵活度,客户可以根据自己的产品ID(Industrial Design)、产品外观设计需求去调整光学设计。ECG方面,可以通过不同的电极设计、电极尺寸、电极材料等去做差异化。

更重要的一点是,尽管基于同一MAX86178模拟前端,数据的分析以及做不同的云端分析也可体现差异化。因为生命体征可以用在不同的应用场景,有不同的云端服务。

2)从电源/MAX77659的角度。因为SIMO提供了多路输出,能使客户更加灵活地决定要加入什么样的功能,例如对于特定的应用场景,如果经常运动的人,可能运动时出汗较多,产品可能做防水设计;对于老年人也有不同的需求。

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6   小结

可穿戴医疗设备的未来正在加速到来,这种监护设备尺寸更小,功能更先进。MAX86178这样的三合一系统用单芯片完成了4项生命体征的采集,使心电图、心率、血氧饱和度、呼吸率的采集系统变得更精简。这4种生命体征的监测让疾病预防以及慢病管理变得触手可及,让医疗健康更加个人化。

未来的发展是以患者为中心的卫生系统时代。全球范围内的趋势是护理系统从碎片化,往更融合、移动、快捷的医疗保障系统的方向转变。MAX77659突破性的集成了内置开关模式的充电体系,可以为医疗保健系统的设备减少60%的物料清单。ADI完整的电源方案包括了充电器,开关模式的输入,以及LDO、GPIO等,不仅提供了电力还能使充电速度提高4倍。该高度集成的方案能将电源的解决方案尺寸缩小50%,使系统工程师能更容易设计出更多传感器功能更加丰富,且外观更加紧凑的设备。



关键词: 可穿戴 医疗

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