1   可穿戴醫(yī)療健康產(chǎn)品興起

據(jù)Yole 2020年發(fā)表的報(bào)告顯示，醫(yī)療健康可穿戴產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模從2019年的3.47億件，會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)到2025年的7.54億件，復(fù)合年均增長(zhǎng)率14%。主要驅(qū)動(dòng)力是醫(yī)療和消費(fèi)類(lèi)穿戴市場(chǎng)。而這兩大驅(qū)動(dòng)力都有共同的潛在需求——對(duì)多項(xiàng)關(guān)鍵生命體征的監(jiān)測(cè)，這對(duì)相關(guān)系統(tǒng)和芯片供應(yīng)商來(lái)說(shuō)是一次非常大的機(jī)遇。

2    用于遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)的穿戴設(shè)備特點(diǎn)

ADI的遠(yuǎn)程醫(yī)療和關(guān)鍵生命體征監(jiān)護(hù)IC產(chǎn)品定位主要包括三類(lèi)：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)患者；預(yù)測(cè)、預(yù)防性監(jiān)測(cè)；慢病管理。

他們的應(yīng)用案例很多，意義重大。

例如，腕式穿戴設(shè)備可用來(lái)檢測(cè)心率失常、房顫。戒指形的穿戴設(shè)備可以全天無(wú)感知地監(jiān)測(cè)生命體征。佩戴在胸腔上的體戴式醫(yī)療貼片能檢測(cè)多種類(lèi)型的心率失常疾病。

慢病醫(yī)療花銷(xiāo)最大，通過(guò)遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)及管理患者，預(yù)防病情惡化，減小或消除昂貴的住院治療費(fèi)用。例如，可穿戴設(shè)備可以連續(xù)監(jiān)測(cè)慢性阻塞性肺?。–OPD）呼吸疾病，該疾病從全球來(lái)看影響著超過(guò)2.51億人的生活。

另外，像睡眠窒息癥影響著近10億成年人的睡眠，遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)可以準(zhǔn)確地反饋治療策略的有效性，從而有效減小病癥對(duì)生活的影響。

3   傳統(tǒng)醫(yī)療與時(shí)尚消費(fèi)正在融合

對(duì)于更多的普通人，越來(lái)越青睞可穿戴產(chǎn)品的健康追蹤功能。實(shí)際上，現(xiàn)在健康監(jiān)測(cè)逐漸從醫(yī)院、診所轉(zhuǎn)向每個(gè)人家里的醫(yī)櫥。醫(yī)櫥是一個(gè)象征性的idea，意味著人們逐漸有意識(shí)地去使用穿戴式產(chǎn)品來(lái)追蹤各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)，例如心率、血氧飽和度、最大涉氧量等數(shù)據(jù)，并作為他們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?/p>

越來(lái)越多的人意識(shí)到了這些新興醫(yī)療器件能為他們的生活帶來(lái)各種好處，而不是像以前一樣不斷地去醫(yī)院咨詢醫(yī)生。他們正在用這種前所未有的方式獲取各種健康信息，以更積極的方式來(lái)了解自己的健康狀況。

傳統(tǒng)的時(shí)尚生活和消費(fèi)電子的品牌正在向他們的電子設(shè)備中加入更多的醫(yī)療追蹤功能以獲得更大的市場(chǎng)占有率。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)的醫(yī)療器件廠商也在積極制造看起來(lái)非常時(shí)尚、外觀上看上去更像是消費(fèi)電子類(lèi)的設(shè)備。所以這兩個(gè)市場(chǎng)正在逐漸靠攏融合，一起來(lái)為我們完成日常生活健康追蹤而服務(wù)的任務(wù)。

4   突破性的模擬前端和電源芯片

便攜式醫(yī)療和消費(fèi)產(chǎn)品需要功能豐富且性能強(qiáng)大的芯片。以遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)貼片的系統(tǒng)框圖為例，需要如下圖的組成部分。高性能模擬芯片廠商ADI圖中綠色部分的芯片。

為了滿足可穿戴市場(chǎng)對(duì)模擬/電源產(chǎn)品的更高性能的要求，近日，Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)帶來(lái)了兩款突破性的新產(chǎn)品：①M(fèi)AX86178，是臨床級(jí)的模擬前端（AFE），集成了3個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)。② MAX 77659，是電源/電池管理IC，帶有突破性的低功耗單電感多輸出（SIMO）技術(shù)。

1）模擬前端的集成度越來(lái)越高

MAX86178是臨床級(jí)的模擬前端（AFE），集成了3個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)：光學(xué)、心電和生物阻抗(BioZ)（如下圖），可以實(shí)現(xiàn)4項(xiàng)關(guān)鍵生命體征的測(cè)量：心電圖（ECG或EKG），心率測(cè)量法(或光學(xué)PPG測(cè)量法)，通過(guò)生物阻抗測(cè)量呼吸率，通過(guò)光學(xué)PPG測(cè)量的SpO₂血氧飽和度。

圖 上面是生物阻抗檢測(cè)部分，中間是ECG的測(cè)量框圖，最下面是PPG的測(cè)量

MAX86178的3個(gè)子系統(tǒng)性能強(qiáng)大。

①ECG（心電部分）。模擬前端（AFE）可以做到臨床等級(jí)的ECG測(cè)量，滿足IEC60601-2-47的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，即移動(dòng)式ECG監(jiān)測(cè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

②PPG（光電容積圖）。PPG可以做到臨床等級(jí)的血氧檢測(cè)，性能可達(dá)113 dB信噪比。

③BioZ(生物阻抗)。設(shè)計(jì)靈活的生物阻抗配置可以支持多種動(dòng)能的測(cè)量，包括ICG，BIA、BIS、GSR/EDA監(jiān)測(cè)。

可見(jiàn)，MAX86178的多功能可以使客戶的多項(xiàng)生命體征檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以更快地上市。而且相比分立方案，MAX86178的解決方案尺寸可以更小，而且采集信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)和光學(xué)PPG和心電ECG系統(tǒng)的同步。另外，MAX86178可以支持多種電源配置，支持針對(duì)每個(gè)特定的用戶場(chǎng)景進(jìn)行功耗優(yōu)化。而且MAX86178的尺寸只有2.6 mm×2.8 mm。

那么，相比之前發(fā)布過(guò)MAX86176，新產(chǎn)品的改進(jìn)之處是什么？工業(yè)與醫(yī)療健康事業(yè)部醫(yī)療健康產(chǎn)品線總經(jīng)理Andrew Baker稱(chēng)，前者是PPG和ECG二合一功能的模擬前端，與后者最大的區(qū)別在于后者里新加了生物電阻抗（BioZ）的測(cè)量，可以做到更多的BioZ生物阻抗的頻幅掃描，或者EDA等應(yīng)用；另外，對(duì)于ECG和PPG也有一定的改進(jìn)。ECG更適合于干電極的應(yīng)用，PPG在信噪比上也有一些提升。

圖 Maxim Integrated(現(xiàn)已并入Analog Devices)工業(yè)與醫(yī)療健康事業(yè)部醫(yī)療健康產(chǎn)品線總經(jīng)理Andrew Baker

2）多軌電源/電池管理芯片只需1個(gè)電感

Maxim Integrated(現(xiàn)已并入Analog Devices)電池電源方案事業(yè)部執(zhí)行總監(jiān)Karthi Gopalan介紹了可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

●   舒適度性。因?yàn)橛脩粜枰宕鬟@些設(shè)備很長(zhǎng)時(shí)間，而且他們需要這些設(shè)備輕薄小巧，而且溫度不能升高。

圖 Maxim Integrated (現(xiàn)已并入Analog Devices)電池電源方案事業(yè)部執(zhí)行總監(jiān)Karthi Gopalan

●   數(shù)據(jù)測(cè)量的精度。這些數(shù)據(jù)必須要精確、真實(shí)地反應(yīng)用戶的身體狀況，用戶才會(huì)更愿意使用。

●   電池的續(xù)航能力。因?yàn)橛脩舨幌Ｍ磸?fù)擔(dān)心他們的電池是否沒(méi)電了，反復(fù)地進(jìn)行充電。

●   充電時(shí)間。如果電池已經(jīng)沒(méi)有電了，我們又急著想要用，那么快速充電就是非常急需的功能。

●   全方位數(shù)據(jù)。除此之外，集成更多的監(jiān)測(cè)功能，對(duì)于這些原始數(shù)據(jù)的處理和解讀也是系統(tǒng)工程師需要思考和解決的問(wèn)題。

下圖展示了傳統(tǒng)及未來(lái)的解決方案。①左邊是傳統(tǒng)的解決方案，可以看到有一些傳感器在里面，會(huì)使用1個(gè)傳統(tǒng)的電源管理芯片和幾個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓器來(lái)對(duì)設(shè)備中的各個(gè)功能單元進(jìn)行供電。這樣一般會(huì)用功率較小的充電器，因?yàn)檫@些芯片占有的體積相對(duì)較大。

②右邊的解決方案能放進(jìn)更多的傳感器，諸如GPS、BioZ、音頻等。實(shí)際上，在下一代可穿戴的產(chǎn)品中，會(huì)需要更多的傳感器來(lái)支持更多的功能，需要更強(qiáng)大的AI處理芯片，這都對(duì)電源芯片提出了更高的要求。例如更精確的GPS、音頻和觸屏反饋，需要電源方面能夠提供穩(wěn)定的電壓、電流，使這些傳感器的信噪比不受影響。更快的充電系統(tǒng)方面，需要1個(gè)開(kāi)關(guān)模式的充電器。而所有這些功能都需要塞進(jìn)一個(gè)非常小巧輕薄的隨身設(shè)備中！

為此，Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)推出了低功耗單電感多輸出（SIMO）技術(shù)，可以滿足以及超越以上所提到的所有需求。MAX 77659是該公司最新推出的SIMO架構(gòu)芯片。在傳統(tǒng)芯片中，如果需要3路的開(kāi)關(guān)模式電源的輸出以及1個(gè)開(kāi)關(guān)模式的充電，至少需要4個(gè)電感，而電感通常是電源方案中外部最大的被動(dòng)元件。在MAX 77659里，這3路開(kāi)關(guān)模式的輸出以及1路開(kāi)關(guān)模式的充電共用1個(gè)電感（如下圖），這樣將物料清單減少了60%，同時(shí)總電源解決方案尺寸減小50%。

另外，相對(duì)于市場(chǎng)上現(xiàn)有的其他電源管理芯片，MAX77659可以為可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供4倍的充電速度。通過(guò)Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)的測(cè)試，在短暫充電10 min后，芯片就可以為產(chǎn)品提供4 h的運(yùn)行時(shí)間。

以助聽(tīng)器充電為例，來(lái)說(shuō)明為什么能達(dá)到4倍的充電速率。典型的助聽(tīng)器電池容量一般在（30~60）mA·h，當(dāng)電池接近耗盡的時(shí)候，電池電壓約為3 V，這時(shí)會(huì)希望用2C、3C的電流來(lái)為電池充電，以便更快地用上這個(gè)助聽(tīng)器。

然而如果電池電壓只有3 V，線性充電器的效率會(huì)非常低，產(chǎn)生的熱量也較多。而且為了做到防塵防水，設(shè)備一般是密封的，所以充電產(chǎn)生的熱量會(huì)被包裹在設(shè)備內(nèi)部，無(wú)法向外散熱。

升高的溫度會(huì)觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的安全充電保護(hù)，使充電速率大幅度降低。ADI的MAX77659帶有自主的裕量跟蹤功能，能夠在同樣的工作條件下，使快速充電產(chǎn)生的熱量顯著降低。

如下圖，在同樣的條件下對(duì)2個(gè)電池進(jìn)行充電，2個(gè)電池都維持在3 V左右。上面那個(gè)目前的解決方案是采用現(xiàn)有的用線性充電器來(lái)充電的，可以看到，數(shù)據(jù)采集是在充電開(kāi)始后30 s，最起始的位置溫度約為30 ℃，您能看到30秒以后，芯片的溫升已達(dá)25 ℃，這會(huì)觸發(fā)保護(hù)功能，從而降低充電速率。

而下面的MAX77659能夠提供的性能狀況非常良好?？梢钥吹狡鹗嘉恢猛瑯邮窃?0℃，30 s進(jìn)入充電過(guò)程之后，芯片溫度依然維持在37 ℃以下，因此能讓充電速度更長(zhǎng)時(shí)間地保持在2C~3C的速率，進(jìn)而大幅縮短充電所需的時(shí)間。

5   穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是什么

1）模擬前端。在加入更多的傳感器設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)考慮到需要用哪些通道，哪些信號(hào)的類(lèi)型需要怎樣去相互干擾的特性。另外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也可能會(huì)考慮到多個(gè)信號(hào)的同步，例如在測(cè)量ECG、PPG等多種信號(hào)時(shí)，對(duì)于某些衍生的生命體征的算法開(kāi)發(fā)也會(huì)考慮到嚴(yán)格的時(shí)鐘同步。

一些生命體征指數(shù)，例如怎樣去提升穿戴產(chǎn)品的血氧測(cè)量？例如在手腕上測(cè)血氧，人的血流信號(hào)是從弱到強(qiáng)分布很廣，對(duì)于有些人，或者在某些場(chǎng)景下，他們的血流灌注指數(shù)（PI）非常低。在這種情況下，模擬前端需要非常高的信噪比來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)精準(zhǔn)的測(cè)量。

ECG在穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)里也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，對(duì)于干皮膚的測(cè)量，冬天在比較干燥的北方，或者在空調(diào)房間里，皮膚可能極度干燥，這種情況下較難測(cè)量。

對(duì)此，MAX86178以及之前的MAX86176有相關(guān)的解決方案和設(shè)計(jì)指南，可在多場(chǎng)景下達(dá)到醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

2）電源。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要非常慎重地考慮到供電。因?yàn)閷?duì)于這些模擬前端，要有非常干凈的電源，以便在測(cè)量這些生物傳感的體征時(shí)，系統(tǒng)上的噪聲盡量減小。

MAX77659的優(yōu)勢(shì)是：客戶無(wú)需擔(dān)心傳統(tǒng)的解決方案之間各個(gè)元件之間的配置問(wèn)題。因?yàn)閮?nèi)部已做過(guò)非常多的測(cè)試，像對(duì)于信號(hào)完整性要求比較高的這種醫(yī)療的傳感器是其中一類(lèi)；還有GPS，音頻的設(shè)備等，對(duì)于信號(hào)的完整性要求是比較高的?？蛻糸_(kāi)始會(huì)覺(jué)得這是一個(gè)新架構(gòu)，他們會(huì)比較保守，想用他們已經(jīng)知道的，而為了展現(xiàn)SIMO是非?？煽康慕鉀Q方案，對(duì)于音頻、醫(yī)療、GPS等應(yīng)用都做過(guò)大量測(cè)試。

還有另外一個(gè)需要說(shuō)明的點(diǎn)是，如果某一個(gè)功能元件對(duì)電源的要求非常敏感， MAX77659也提供了一個(gè)LDO來(lái)額外地提供PSRR（電源抑制比），能夠大幅度降低噪聲等。

再有，Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI)已經(jīng)給很多這類(lèi)客戶提供了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的產(chǎn)品，有豐富的經(jīng)驗(yàn)和穩(wěn)定的產(chǎn)品。

5   客戶可做出差異化的產(chǎn)品

1）傳感器、模擬前端/MAX86178角度，客戶可以做很多差異化的地方。例如在做PPG的光學(xué)設(shè)計(jì)上可以有非常大的靈活度，客戶可以根據(jù)自己的產(chǎn)品ID(Industrial Design)、產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)需求去調(diào)整光學(xué)設(shè)計(jì)。ECG方面，可以通過(guò)不同的電極設(shè)計(jì)、電極尺寸、電極材料等去做差異化。

更重要的一點(diǎn)是，盡管基于同一MAX86178模擬前端，數(shù)據(jù)的分析以及做不同的云端分析也可體現(xiàn)差異化。因?yàn)樯w征可以用在不同的應(yīng)用場(chǎng)景，有不同的云端服務(wù)。

2）從電源/MAX77659的角度。因?yàn)镾IMO提供了多路輸出，能使客戶更加靈活地決定要加入什么樣的功能，例如對(duì)于特定的應(yīng)用場(chǎng)景，如果經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的人，可能運(yùn)動(dòng)時(shí)出汗較多，產(chǎn)品可能做防水設(shè)計(jì)；對(duì)于老年人也有不同的需求。

6   小結(jié)

可穿戴醫(yī)療設(shè)備的未來(lái)正在加速到來(lái)，這種監(jiān)護(hù)設(shè)備尺寸更小，功能更先進(jìn)。MAX86178這樣的三合一系統(tǒng)用單芯片完成了4項(xiàng)生命體征的采集，使心電圖、心率、血氧飽和度、呼吸率的采集系統(tǒng)變得更精簡(jiǎn)。這4種生命體征的監(jiān)測(cè)讓疾病預(yù)防以及慢病管理變得觸手可及，讓醫(yī)療健康更加個(gè)人化。

未來(lái)的發(fā)展是以患者為中心的衛(wèi)生系統(tǒng)時(shí)代。全球范圍內(nèi)的趨勢(shì)是護(hù)理系統(tǒng)從碎片化，往更融合、移動(dòng)、快捷的醫(yī)療保障系統(tǒng)的方向轉(zhuǎn)變。MAX77659突破性的集成了內(nèi)置開(kāi)關(guān)模式的充電體系，可以為醫(yī)療保健系統(tǒng)的設(shè)備減少60%的物料清單。ADI完整的電源方案包括了充電器，開(kāi)關(guān)模式的輸入，以及LDO、GPIO等，不僅提供了電力還能使充電速度提高4倍。該高度集成的方案能將電源的解決方案尺寸縮小50%，使系統(tǒng)工程師能更容易設(shè)計(jì)出更多傳感器功能更加豐富，且外觀更加緊湊的設(shè)備。