可穿戴医疗技术关键及典型参考设计集锦

2014-10-22 17:59:02来源: 互联网 关键字:关键  典型  参考  设计

    穿戴式装置搭配手持式装置与网际网路的连结,构建出包含生活、运动、医疗…等各种领域等更多生活上的应用。由于穿戴式装置体积小巧且更贴近人体,其设计上对于体积重量、发热、EMI、电源管理、防触电、防湿防水防尘、舒适度甚至在时尚感有更严苛的要求,因此市场也针对穿戴式装置,推出各式专用的微机电电子元件与感测技术。

  穿戴式装置专用之微机电元件

  随着MEMS(微机电)元件技术的进步,让各式传感器能轻松嵌入到手持式装置、穿戴式装置之中,使科技应用无所不在。由于穿戴式装置是穿戴于人体身上,故比手持式装置更贴近人类,能够延伸更多生活上应用,或忠实侦测与纪录人体生理机能的反应。目前已知的穿戴式装置,可提供人类在科技应用(语音通讯/扩增实境/个人助理)、生活品质(食品热量、睡眠提示、节食建议)、运动健身(比赛纪录、训练健身、虚拟教练)、医疗辅助(心电图、脉搏记录、睡眠改善…等生理机能量测仪)、旅游辅助(路线建议、导航指示、旅程纪录)、公益应用(孩童/宠物/老人失踪协寻)等各种贴心的应用。

  可穿戴框图

基本穿戴式装置的感应器系统架构图 (fp7-smac.org)

  可穿戴医疗系统图

医疗穿戴式装置的资讯传递系统架构图 (Intersive)

  由于穿戴式装置的体积更小,更贴近人体,且必须长时间穿戴,因此这些装置对于发热、EMI (电磁干扰)、电源管理、防触电、防汗/防水/防尘、舒适度、精准度、体积重量,甚至时尚等要求,都比手持式装置更为严格,因此各厂商在设计产品时,就必须顾虑到这些课题。而MEMS微机电零件供应商,也提供各种不同等级的产品,以符合系统厂商在设计穿戴式装置时的需求。

  穿戴式装置的元件-CPU、MCU

  当今高阶手持式装置的CPU(处理器),已经迈向八核心的里程碑,处理速度更快。然为了减少感测器在全天候侦测、搜集与处理上的电能消耗,许多产品已开始搭配MCU(微控制器),来担任动作感应专用的协同处理器(Motion Co-processor)。

  以苹果iPhone 5s、iPad Air、iPad mini 2内建的M7为例,便是一款协同处理器,采用NXP LPC1800系列的客制化Cortex-M3微控制器,运作时脉为150MHz,可搜集、量测、储存感应到的资料(来自STM三轴陀螺仪、Bosch三轴加速器、AKM电子罗盘等感应器资讯),纵使手机在待机中亦能运作,继续将感测资料记录下来,待装置唤醒后就能够继续处理资料,这样的设计可让装置在长时间的运作下(例如运动),更为省电。

  在穿戴式装置的应用上,大多采用Sensor Hub MCU,亦即采用ARM Cortex M系列的MCU来当主要控制器,以达到高效能、低耗电的目的。例如Fitbit智慧手环,便是采用ST的STM32L151C6 Cortex-M3低功耗16位元32MHz MCU、Jawbone UP智慧手环采用TI的MSP430F5528 16位元25MHz MCU。而Pebble智慧手表采用ST的STM32F205RE Cortex-M3架构的32位元120MHz MCU、Sony SmartWatch SW2也采用ST MCU,时脉为180MHz。

  至于Samsung的Galaxy Gear智慧手表,仍采用自家Exynos 800MHz单核CPU来做感测运算处理,可惜搭配的电池容量太小,连续使用25小时就要充电,虽效能强、但持续力不佳,市场反应冷淡。因此,Samsung在MWC发表的Gear 2家族,采用MCU设计,使用时间可达2~3天。由此可见,为了功耗与增加电池寿命,未来将会有更多穿戴式产品改用MCU来当主要处理器。

  穿戴式装置的元件-MEMS、Sensor

  在感测器方面,穿戴式装置目前配置的基本三个体感/动态感测元件,就是电子罗盘(magnetometer)、三轴陀螺仪(gyroscope)、三轴加速器(accelerometer),可以用来计步、侦测心跳、生理追踪等等。

  至于在环境感应器部份,则是依照产品的应用需求再加入。例如接近感应器(Proximity sensor)、温度计(Thermometer)、湿度计(Hygrometer)或气压计(Barometer)等等。若有辅助操控部份,如手势、语音等输入,则会选择将红外线(Infrared)或相机模组(Camera Module)、麦克风(Mic)等元件内建,以做简单的手势、语音辨识。例如Google Glass就包含了光度感应器(Ambient Light Sensor)、接近感应器,做为调整亮度与物体侦测之用。

  在软体技术方面,已有许多厂商开发出自家专利的演算法,应用在各穿戴式应用的软硬体产品。如Nike+ Running App(跑步训练程式)、Jawbone Up、Fitbit系列手环,便是采用FullPower公司的MotionX技术。

  医疗、保健等感测器专用之穿戴式装置的元件

  消费级的穿戴式装置,可提供个人保健、节食塑身、手机延伸应用等。至于专业级的产品,则有不同的诉求。在医疗院所里,量测专用的穿戴式装置其实早行之有年,近年来由于科的进步,当许多量测装置的体积能够缩小,且透过无线的方式将讯号传递出来,不需要再连接一堆电线,使病人能够行动自如。

  医学或健康产业所设计的穿戴式装置,大多内建上述的感应器架构,而医学复健的感应器,还会加上体感技术。这类产品的功能诉求单纯,主要用于量测个人生理资讯,数值量测的要求上,则是必须非常精确,且装置要能够长时间使用,并可透过内建的GSM或Wi-Fi无线通讯,将身上的各种仪器串连起来,成为一个身体网路(Body Area Network;BAN),同时也可以将资料回传至医疗院所以利于后续追踪,如此进而达到居家照护、远距医疗之应用。

    下面来自各大厂商的可穿戴医疗典型设计和方案,给你最全面的参考

    可穿戴型无线贴片是一款一体化监测工具, 可测量心率、呼吸模式和其他生命体征。该贴片适用于临床和个人医疗保健应用。贴片型医疗保健产品可增加患者的移动性和舒适性,并可将生命体征数据无线上传 至云端,用于实时分析或长期保存记录。飞思卡尔为该应用提供了广泛的低功耗、低成本MCU以及无线解决方案。

  功能框图

飞思卡尔可穿戴医疗框图

  推荐的解决方案

解决方案推荐

  微控制器(MCU)

  Kinetis K2x USB微控制器(MCU)

  Kinetis K1x基准微控制器(MCU)

  Kinetis K5x测量微控制器(MCU)

  KL2x: Kinetis KL2x USB

  KL1x: Kinetis KL1x通用MCU

  无线通信

  MC1323x: 2.4 GHz 802.15.4 RF and 8-bit HCS08 MCU with 128 KB Flash, 8 KB RAM

  电源管理

  MC34712: 3.0 A 1.0 MHz全面集成的DDR开关电源

  目标应用

  活动监测仪

  ECG

  血糖仪

  心律监测仪

  呼吸监测仪

    概述

  血压监视仪作为电子医疗产品的代表,近年来在众多家庭中迅速普及。随着上臂 式血压监视仪的广泛普及,可以轻松测量的手腕式血压监视仪的需求也日益增加,而装置的小型化、电池的高寿命化就变得尤为必要。此外,为了测量数据的共享, 以及在哪儿都可以调出数据,就必须加强电脑或手机与USB / Bluetooth使用的通信功能,向泛网社会发展。

  根据电池的高寿命化,或装置的小型化可以降低所需电池的数量,因此需要低功耗。血压的测量是压力传感器通过变频电路来改变频率的,因此使用定时器来计量的方法得以普及。另外,内置对测量用气囊带加压的PWM定时器,以及支持通信功能的UART也是必须。

  瑞萨拥有丰富的MCU产品线,其中,78K0/Lx3,R8C/Lx内置LCD驱动控制电路,可实现低功耗,并内置了血压监视仪所需的外围功能,此外还内置看门狗定时器(WDT)、实时时钟(RTC),降低外置元件,实现成本的降低。

  功能框图

功能框图

  相关瑞萨产品

所需产品

  主控制器

  78K0R / LX3微控制器是16位单片机微控制器。它包括78K0R CPU核心和外围功能器件如ROM/RAM,LCD控制器/驱动器,A/D,D/A转换器,运算放大器,多功能的串行接口,多功能定时器,实时计数器,和看门狗定时器。

  详细资料:78K0LC3 内置LCD的低功耗8位MCU

   R8CLx 内置LCD低功耗的8位MCU,R8C/Lx系列内置LCD驱动控制电路。它继承了R8C/3x系列产品的很多外围功能(如多功能定时器和各种通信功能) 以及38000/740和 H8/300L超低功耗系列产品中简便易用的LCD驱动控制电路。R8C/Lx系列具有下列主要特性,并且支持各种LCD面板设备。

  详细资料:R8CLx 内置LCD低功耗的8位MCU

  传感器

  详细资料:HA1630xxx系列

  通用浪涌吸收电路保护

  详细资料:HSM123开关二极管

            HRC0103C肖特基二极管

  USB接口

  详细资料:RKZ6.8Z4KT 用于浪涌保护的齐纳二极管

  电机、阀、脉动

  详细资料:UPA2761UGR P沟道MOSFET

    生命体征监测服(Fit)使专业医护人员和迫切想要了解自身健康状况的用户能够以低成本频繁监测各项体征指标。高度集成的监护服设计可用于测量三导联心电图(ECG)、体温和运动状态。所有诊断工具均已集成到衬衫内部,不会影响穿着舒适度。

   该新型智能监护服集成了干电极ECG测量技术、复杂的信号处理技术、温度传感器、运动传感器、超低功耗微控制器及无线通信单元,是Maxim Integrated、Clearbridge VitalSigns和Orbital Research三家公司在经验、技术、创新层面积极合作的成果。这款智能监护服开启了预防性医疗保健的新时代,使健康保健成本更低、惠及面更广。

  功能框图

FIT

  低功耗微控制器

  MAXQ622是具有红外模块和USB (可选)功能的16位微控制器。关键优势:集成了收发器的微控制器可有效降低系统的整体功耗、延长电池寿命。

  详细资料:MAXQ622

  电源和电池管理

  MAX8904带有I²C接口的高效电源管理IC,用于2节Li+电池供电设备。关键优势:高度集成的PMIC,优化用于POS终端。

  详细资料:MAX8904

  MAX8939手机系统电源管理方案,关键优势:单芯片方案满足手机系统的宽范围供电需求。

  详细资料:MAX8939

  USB保护器/充电器

  MAX17502是60V、1A、超小尺寸、高效率、同步降压DC-DC转换器。关键优势:内置FET、60V同步整流buck转换器,支持高效设计。

  详细资料:MAX17502

  MAX17501是60V、500mA、超小尺寸、高效率、同步降压DC-DC转换器。关键优势:内置FET、60V同步整流buck转换器,支持高效设计。

  详细资料:MAX17501

  MAX17498C是AC-DC和DC-DC峰值电流模式转换器,支持反激/Boost应用。关键优势:电流模式PWM控制器,支持紧凑的高性价比、高灵活性隔离/非隔离电源设计

  详细资料:MAX17498C

  硅温度传感器

  MAX6656是双路远端/本地温度传感器及四路电压监测器。

  详细资料:MAX6656

    传统心电监护仪通常需要随身携带记录监视仪,放在靠近病人颈部或腕部的口袋里,而无线心电图监视仪的噪声和干扰大大降低,尺寸减小到甚至可以安 装在电极背面,能够提供比传统方案更精确的信号。这种电路价格便宜,且能够提供诊断质量的1导联心电图迹线,驱动腿免除了对 60 Hz陷波滤波器的需求。所有的电路都能穿戴在衣服内,因此患者舒适度和隐私度大幅提高。

  病人的监测数据经过加密,每隔几分钟就 自动上载至医院、护理机构或养护机构中的现场采集分析系统。病人可以在预定的时间(每天或每周)到医生办公室或诊所上载信息,而无需移除监视仪或重新放置 电极。无线心电图监视仪还可以安装存储卡,通过手机或局域网进行数据传输。除了性能、可靠性、低功耗以及成本等因素,无线心电图监视仪设计必须支持专用的 遥测频段,以使监视仪的心电图数据可以迅速、准确、安全的传输至数据采集器进行评估。

  概述

   在北美地区,无线医疗遥测服务(WMTS)频段以及其它免授权的工业、科学和医用(ISM)频段提供专用的频谱,以确保数据传输的无干扰、可靠连接。 ADI公司的ADF7021高性能、窄带ISM收发器IC支持WMTS频段以及433 MHz、868 MHz与915 MHz的ISM频段。ADF7021具有同类最佳的接收机灵敏度,在1 kbps时为-123 dBm,内置T/R开关、VCO tank、RF/IF滤波器、全自动化的自动频率控制(AFC)与自动增益控制(AGC)电路。为了延长电池寿命,ADF7021可以设置在功耗极低的休 眠模式,使电流消耗下降至不足0.1 µA。ADF7021与低功耗微控制器一起使用时,平均待机电流不足2 µA。WMTS优化的无线电电台参考设计(EVAL-ADF7021DBZ6)包括原理图与布局,可供用户作为无线心电图监视仪设计的参考。

patch

   无线动态心电监护仪尺寸极小,足以安装在心电电极的背面,因为大大减少了噪声和干扰,其信号精确度优于传统设计。该电路价格低廉,并能提供诊断级单导 联心电图。 由于存在驱动腿,因而无需60 Hz陷波滤波器。 收发器(如下所示的ADF702x)及其外围电路随其所使用的频带而变化。 由于所有电路可以穿戴在衣物中,极大提升了患者的舒适度和私密性。

  功能框图

ADI功能框图

    AD623是一款集成单电源仪表放大器,提供轨对轨输出摆幅和低功耗(3 V电压功耗为1.5 mW)。其中心节点用于访问残留共模信号。

  详细资料:AD623集成单电源仪表放大器

  AD8500低功耗、高精密CMOS运算放大器的最大电源电流是1 µA,最大偏置电压1 mV,典型输入偏移电流1 pA,提供轨对轨输入和输出,采用1.8 V ~ 5.5 V单电源或±0.9 V ~ ±2.75 V双电源供电

  详细资料:AD8500低功耗、高精密CMOS运算放大器

  AD8641低功耗、轨对轨输出结型场效应晶体管(JFET)放大器具有高输入阻抗、高精密性能以及低成本,输入阻抗大于681 kΩ。

  详细资料:AD8641低功耗、轨对轨输出结型场效应晶体管

   AD7466是一款12-bit ADC,采用小型封装,且功耗极低,3.6 V/50 kSPS时,功耗为480 μW。它采用6引脚SOT-23封装。对于要求更宽动态范围和更高信噪比的设计来说,AD7685 PulSAR® ADC可以提供16-bit分辨率,在2.5 V/100 kSPS时,功耗为1.35 mW,它采用3 mm × 3 mm QFN (LFCSP)封装。

  详细资料:AD7466 12-bit ADC

   另一种实现此信号链的方案是采用ADuC7022 取代ADC和MCU。功能框图如下。ADuC7022内置16-bit/32-bit MCU,它在单芯片上集成了一个性能高达1 MSPS的ADC。ADC提供必要的动态范围,以满足医用标准,检测微弱的心电图波形变化。ARM7架构包括32-bit寄存器,使它能够对心电图信号进 行实时FIR滤波。

  功能框图

ADI功能框图2

  ADuC70xx系列均为完全集成的1 MSPS、12位数据采集系统,在单芯片内集成高性能多通道ADC、16位/32位MCU和闪存/EE存储器。

  详细资料:ADuC7022: 精密模拟微控制器


  智能生活的最主要的目的之一,是通过先进的理念和技术,使人们生 活的更舒适更惬意。每个人因所处的环境不同,对“智能生活”的理解也各有不同, 村田制作所(中国)(以下简称村田)提出了“主动智能生活“概念,旨在以用户为中心,在用户意识到自己的需求之前,提前实现了所需的高品质生活, 这一过程中我们所能感觉的只是技术的贴心。其中,村田的主动智能医疗可以做到在身体还没有做出反应之前,用精确的感知与科学的方式提取身体发出的信号并且 实现健康、舒适的生活。

  心脏的防护衣:

  近几年的某项研究资料表 明,每13秒钟心血管疾病就会夺去一个中国人的生命,;驾驶员疲劳驾驶导致多车连撞等事件的不断频发;这些无法预测的突发性疾病往往给治疗带来被动性,从 病发到处理产生的滞后可能随时为生命安全造成直接威胁,而患者对于自身心脏健康状况的不知情也为事故的发生多增添了一分风险。村田提倡的主动智能医疗是通 过无导联非侵入方式感知人体心跳引起的机械振动, 提取出心率、泵血、心率变异性、呼吸率等与心血管疾病,消化系统疾病,免疫系统等健康状况息息相关的指标,从而在疾病发生之前对健康状况实时监测。村田推 出的这一“间接接触BCG心脏冲击扫描解决方案(以下简称,BCG方案)“,只要将BCG模块搭载在人体可以接触到的载体如床或椅子,它们就可以成为“健 康监测仪”。因此村田BCG方案可以将患病风险与几率降到最低而且不会打乱人们的正常作息,即使是在工作状态下也可以进行监测。

   BCG 是Ballistocardiography的单词缩写,指非侵入式的通过图形界面准确描绘心脏每次搏动所喷射的血液对于人体向上运动的作用的医疗技术。 BCG最早来自在20世纪30年代美国教授的发现,但受限于BCG信号极为微弱、难采集;同一时段信号多而杂,难辨别;当时技术水平和相关理论的缺乏、使 BCG仅存在于医学院所和高端医疗机构。村田的BCG模块中高可靠性、高精度MEMS加速度传感器可以精确地检测到人体的BCG信号。同时,在集成MCU 内搭载可处理加速度传感器信号的FE、十进制计算方式。可以在床的移动、人体移动、翻转等复杂信号中分析、处理并提取相应的生理指标如心率、泵血、心率变 异性、呼吸率等。 谈到具体应用,在车内搭载BCG之后可以过检测驾驶员的心脏状态减少疲劳驾驶甚至车祸。目前,沃尔沃S80在后排座上集成了BCG功能,帮助车主检测是否 有窃贼进入汽车或者是否忘记把婴儿遗漏在车内等各种功能。

  注*村田只对BCG的监测数据做收集,不做具体分析。

 村田传感器 

  MEMS加速度传感器

  模块化解决方案:

 模块图 

  BCG心脏冲击扫描解决方案的升级:

   随着移动互联、智能城市等领域的不断发展,远程医疗也备受关注。一项全球研究显示,如果全面实现远程主动医疗监护,可将病人的医疗费用降低42%,看医 生的时间间隔将延长71%。村田的BCG方案不仅对相关指标的提取精准度高,同时还支持无线通信功能,让“远程医疗”不再遥远。村田BCG方案复合上无线 通信技术,在今后的养老院医院的住院部等机构,只需服务台的护士就可以实现各个床位人员的长期呼吸监测、翻身状况以及睡眠质量检测, 提高相关工作的效率,减少人力成本。我们也希望在未来,这套解决方案可以应用到更多的领域中。

实时远程监测图

    相关经典参考设计方案:

  基于射频技术的穿戴式医疗仪器的设计

  可穿戴式生命体征监护设备的研制

  基于运动学原理的可穿戴下肢助力机器人

  蓝牙/ZigBee技术 助臂可穿戴网络设计

关键字:关键  典型  参考  设计

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/1022/article_5168.html
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