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醫(yī)療保健和健身領(lǐng)域的可穿戴市場正在快速增長。本文重點介紹目前業(yè)內(nèi)具有創(chuàng)新和教育意義的信息，幫助設(shè)計者理解理論原理以及該領(lǐng)域的設(shè)計工具。 首先從我最近對Maxim Integrated的一次訪問開始，我有幸參觀了他們的演示實驗室。參觀期間，眾多演示中的兩個演示讓我感到非常驚喜，那是兩個非常重要的醫(yī)療保健和健身可穿戴設(shè)備，利用這些設(shè)備，設(shè)計者能夠縮短其設(shè)計時間，將其產(chǎn)品快速推向市場。 在討論設(shè)計工具之前，我們首先了解一下推動可穿戴設(shè)備走入我們?nèi)粘Ｉ畹淖钚录夹g(shù)、原理以及電子科技。 流電皮膚反應(yīng)(GSR) 流電皮膚反應(yīng)(GSR)是眾多皮電反應(yīng)(EDR)的一種。EDR是指環(huán)境事件與人類心理狀態(tài)的相互作用引發(fā)的人體皮膚的電特性變化。人體的皮膚是一種相當(dāng)好的電導(dǎo)體。當(dāng)向皮膚施加小電流時，其傳導(dǎo)率會發(fā)生可測的變化。我們可測量多種變量，例如皮膚電阻或電導(dǎo)系數(shù)，及其倒數(shù)。所以，如果利用歐姆定律，R是皮膚電阻，等于皮膚上兩個電極之間施加的電壓(V)除以通過皮膚的電流(I)，即R= V/I，正如EE101中所述。圖1所示為某種激勵的典型GSR反應(yīng)。 圖1：典型GSR反應(yīng) GSR也被應(yīng)用于醫(yī)療、測謊以及健康監(jiān)測領(lǐng)域。 圖2：圖中所示為MAXREFDES73#的移動app GUI屏幕截圖，這是一款可穿戴的電池供電移動式皮電反應(yīng)(GSR)系統(tǒng)，采用MAX32600健康測量微控制器。 GSR放大器 GSR的關(guān)鍵是費勒效應(yīng)，即皮膚受到激勵后其電導(dǎo)率發(fā)生的變化。 GSR放大器的角色是向皮膚施加恒定電壓，該電壓非常小，甚至穿戴者都感覺不到。這是通過微小的電極實現(xiàn)的。然后電流通過皮膚并被接收器檢測到，經(jīng)過處理后被用于向用戶顯示各種參數(shù)。 放大器輸出電壓需要恒定并且確定，所以在測得通過皮膚的電流后，GSR放大器即可確定以μS或微西為單位的皮膚電導(dǎo)。 皮膚電導(dǎo) 有兩種類型的皮膚電導(dǎo)：基礎(chǔ)電導(dǎo)和相位電導(dǎo)。 基礎(chǔ)電導(dǎo)是指無任何環(huán)境激勵下的皮膚電導(dǎo)基線，也稱為皮膚電導(dǎo)水平(SCL)。我們的SCL范圍為10至50 μS。這些SCL水平隨時間發(fā)生變化，取決于我們的自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和生理狀態(tài)。 相位電導(dǎo)隨事件發(fā)生變化，也稱為GSR。嗅覺、聽覺、視覺等環(huán)境刺激將造成我們的皮膚電導(dǎo)發(fā)生時間相關(guān)的變化。這些就是所謂的皮膚電導(dǎo)反應(yīng)(SCR)。這些SCR會造成皮膚電導(dǎo)升高，持續(xù)10或20秒，然后恢復(fù)到SCL基線，也就是基礎(chǔ)電導(dǎo)水平。 可測量及利用的事件相關(guān)GSR參數(shù)有幅值(單位為微西)和延遲、上升時間和半恢復(fù)時間，單位為秒。 GSR和心血管系統(tǒng) 我們首先來了解一下如何利用歐姆定律建立循環(huán)模型。血壓(BP)、心輸出量(CO)和總外周阻力(TPR)分別類似于電壓(V)、電流(I)和電阻，參見下圖3。正常年輕人的血壓曲線表示心臟收縮BP、心臟舒張BP、脈壓和平均動脈壓之間的關(guān)系。1A所示為BP、CO和TPR之間的關(guān)系。從1B可看出，心臟收縮BP (SBP)和舒張BP (DBP)分別是每個心跳周期中的最大和最小BP值。脈壓(PP)為SBP與DBP之差。平均動脈壓(MAP)大約為DBP加1/3 PP。 圖3：血壓(BP)、心輸出量(CO)和總外周阻力(TPR)分別類似于電壓(V)、電流(I)和電阻。 在INDICON，工程師展示了如何預(yù)測嚴(yán)重高血壓的例子2。可以開發(fā)醫(yī)療和健身設(shè)備來監(jiān)測圖4所示的任意及全部參數(shù)，然后設(shè)計公司可根據(jù)其目標(biāo)市場的需求來增加其他“特殊功能”。 圖4：可以開發(fā)醫(yī)療和健身設(shè)備來監(jiān)測圖中所示的任意及全部參數(shù)。 流電皮膚反應(yīng)及Maxim MAXREFDES73# 現(xiàn)在，利用Maxim的MAXREFDES73#參考設(shè)計，可穿戴設(shè)備開發(fā)者可立即評估GSR檢測。利用Android移動設(shè)備，通過藍(lán)牙低功耗(BLE)無線接口，用戶能夠在20m范圍內(nèi)監(jiān)測其皮膚電阻和溫度。 我家里有一套這樣的演示設(shè)備，我對其有效性以及設(shè)置容易、操作簡單等方面印象深刻。我明白了這套完備的演示系統(tǒng)為什么不僅能夠幫助醫(yī)療和健身可穿戴設(shè)備開發(fā)者理解GSR以及其他非常重要的監(jiān)測原則，而且能夠大幅縮短設(shè)計者寶貴的開發(fā)時間，幫助其實現(xiàn)上市時間目標(biāo)。圖5所示為完整的系統(tǒng)示意圖，圖6~圖8所示為基本模塊。 圖5：MAXREFDES73#參考設(shè)計框圖。MAX32600包含模擬前端(AFE)、ADC和DAC。 圖6：手表的正面，其中包括電子器件和電池。 圖7：手表的背面，圖中所示為皮膚接觸電極。 圖8：Maxim Integrated #MAXREFDES73# GSR參考設(shè)計。 該平臺由電池供電，可進行高精度交流阻抗測量，同時功耗極低。MAX32600微控制器采用ARM Cortex-M3 32位RISC CPU，工作在高達(dá)24MHz，并集成多種高性能模擬外設(shè)。 模擬特性包括帶PGA的16位ADC、兩個12位DAC和一個16通道多路復(fù)用器，以及經(jīng)典的數(shù)字特性，例如256KB閃存、32KB SRAM和2KB指令緩存。參考設(shè)計提供高性能、靈活的開發(fā)平臺，是眾多健康和醫(yī)療測量應(yīng)用的基礎(chǔ)，尤其是皮電反應(yīng)測量。 參考設(shè)計為腕帶式單元，由LIR2032可充電紐扣電池供電。支持Android設(shè)備的移動應(yīng)用程序提供接口，手表通過藍(lán)牙低功耗無線接口與Android設(shè)備進行通信。 測試結(jié)果、硬件文件和固件源代碼提供完整的設(shè)計文檔。該完備的腕帶式單元是設(shè)計者的必備之物，將幫助設(shè)計者快速將可靠產(chǎn)品推向市場。 交流阻抗測量 為完整起見，我認(rèn)為本文中應(yīng)該包含以下關(guān)于交流阻抗測量的詳細(xì)介紹。 MAXREFDES73#設(shè)置為進行交流阻抗測量，參見圖9。12位DAC產(chǎn)生正弦波激勵信號，峰-峰值為1V。微控制器DMA引擎使直接數(shù)字合成成為可能。DAC0輸出信號經(jīng)過運放緩沖，第二個運放用于構(gòu)成二階低通濾波器(LPF1)。利用電容(未標(biāo)出)阻隔激勵信號的直流成分。四個內(nèi)部SPST開關(guān)動態(tài)地將負(fù)載重新配置為校準(zhǔn)通路或人體皮膚負(fù)載。ADC輸入之前的8位DAC (未標(biāo)出)產(chǎn)生共模偏置電壓。LPF2中的RC組合構(gòu)成一階LPF和增益控制。最后，ADC之前的RC組合構(gòu)成LPF，同時也作為抗混疊濾波器。 圖9：圖中所示為MAXREFDES73#交流阻抗測量的方框圖。 本例中，手腕的皮膚是輸入電路中反相放大器的輸入阻抗的一部分。相干正弦信號激勵電路，利用數(shù)字基帶正交采樣接收器持續(xù)檢測響應(yīng)，以檢測網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的幅值和相位。已知的校準(zhǔn)通路為內(nèi)置，也對其進行測量；系統(tǒng)利用這兩種響應(yīng)確定皮膚的復(fù)阻抗。 接下來，根據(jù)測試負(fù)載與校準(zhǔn)通路的響應(yīng)之比，只需很低的功耗即可精確確定復(fù)阻抗。 為了測量特定頻率(FC)下的阻抗，向測試負(fù)載施加正弦電壓，所以x(t) = cos(2πx FC x t)。 然后對ADC的輸出進行放大和移相，得到y(tǒng)(t) = VL x cos(2π x t + θ)。 為了提取接收信號的相位，我們需要進行相干檢測。現(xiàn)在，如果ADC能夠與DAC輸出(交流激勵)同步，即實現(xiàn)數(shù)字基帶正交采樣。此時，采樣率為激勵頻率的4倍，如圖10所示。 圖10：MAXREFDES73# ADC正交采樣。 數(shù)字基帶正交采樣一般在頻域表示；但對于交流阻抗測量，在時域表示更好。下式所示為從y(t)得到實分量I和復(fù)分量Q的過程。 y(t) = VL × cos(2π Fc × t + θ) TS = 1/(4 × Fc) y(k) = VL× cos(π/2 × k + θ) kΣ {0, 1, 2, ...N - 1} y(k) = VL[cosθ, cos(π/2 + θ), cos(π + θ), cos(3π/2 + θ), ...] y(k) = VL[cosθ, - sinθ, - cosθ, sinθ, ...] 為了計算復(fù)阻抗，我們感興趣的是提取幅值和相位信息： VLejθ = VLcos(θ) + jVLsin(θ) = I + JQ 通過觀察，前2次ADC采樣得到I和Q： I = VLcos(θ) = y(0) Q = VLsin(θ) = y(1) 我們可將ADC采樣進行分組(偶/奇)并利用±1進行調(diào)制，產(chǎn)生實分量I和復(fù)分量Q的多個觀察。因為我們處理的是單頻，可以對這些輸出進行平均，以提高測量的信噪比(SNR)，如下式所示： 其中N是ADC采樣的數(shù)量，為4的整數(shù)倍。 相位 = θ = atan2(Q,I) 幅值 = VL = √(I2 + Q2) 復(fù)阻抗(Z(s))是在特定頻率下利用校準(zhǔn)負(fù)載(Ycal(s))以及被測負(fù)載(Ysys(s))的采樣測得的。根據(jù)響應(yīng)之比以及兩個外部電阻Ri和Rcal ，可得到測試頻率下的負(fù)載復(fù)阻抗： (Ri + Z(s))/Rcal = Ycal(s)/Ysys(s) 可推導(dǎo)出負(fù)載阻抗的幅值和相位： Z(s)magnitude = Rcal × (Ycal(s)magnitude/Ysys(s)magnitude) - Ri Z(s)phase = Ycal(s)phase - Ysys(s)phase 對于該參考設(shè)計，我們對皮膚阻抗的幅值更感興趣，所以僅發(fā)送幅值數(shù)據(jù)，并在移動應(yīng)用程序的圖形用戶界面上進行顯示。在參考設(shè)計固件中，也計算相位數(shù)據(jù)，以便用戶用于特殊的應(yīng)用中。 圖11：健康手表的完整功能。 可穿戴設(shè)備演示及平臺 健康手表演示平臺 健康手表演示平臺是一套包含算法的完備系統(tǒng)： ·連續(xù)心率(光) ·脈搏血氧(光) ·溫度(電) ·含水量(電) ·運動(MEMS) ·連通性(藍(lán)牙) 平臺包括MAX66242 NFC Chip，集成安全功能： MAX66242是傳感器接口的關(guān)鍵部分，具有無限連接功能，采用RFID技術(shù)。該器件用于醫(yī)療傳感器安全認(rèn)證和校準(zhǔn)。NFC體溫計和脈搏血氧儀使用的就是該器件。見圖12和圖13。 NFC體溫計演示平臺 圖12：NFC體溫計作為數(shù)字溫度計。 該器件具有如下特性： ·非接觸 ·能量收集 ·安全認(rèn)證 ·獨立使用；無污染 圖13：NFC體溫計設(shè)計的系統(tǒng)框圖。 脈搏血氧儀演示平臺（圖14） 圖14：脈搏血氧儀。 該器件具有如下特性： ·實時監(jiān)測 ·長電池壽命 ·非接觸：較低污染風(fēng)險 Fit 2監(jiān)護服演示平臺 該監(jiān)護服為總體EKG/健身平臺。參見圖15~圖18。 圖15：Fit 2襯衫。 該系統(tǒng)具有如下特性： ·移動式、實時分析 ·適用于從運動員到病人的各種人群 ·相對于Fit Shirt 1，提高了測量精度、電池壽命以及系統(tǒng)尺寸 圖16：Fit 2襯衫的完整功能。 圖17：Fit 2襯衫技術(shù)采用了Maxim Integrated的技術(shù)。 圖18：Maxim健康平臺參考設(shè)計系統(tǒng)的基本框圖。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涵蓋了健康手表、脈搏血氧儀和Fit 2襯衫演示平臺。Sarvint擁有以下系統(tǒng)的設(shè)計專屬權(quán)：健康手表、Fit 2襯衫、體溫計、脈搏血氧儀。 |
