开发生命体征监测设备的最佳平台

随着现代人对于健康的重视，各种用于随时检测生命体征的各种设备也陆续推出市面，可以用于检测脉搏、体温、心电图，以及个人运动状态数据的侦测，市场发展空间相当惊人。本文将为您介绍由ADI（Analog Devices Inc.）推出的生命体征监测（Vital Signs Monitoring, VSM）手表开发模块的功能特性。

蓬勃发展的生命体征监测可穿戴设备

目前市面上已经出现许多可以侦测生命体征的可穿戴设备，像是智能手环、智能手表，以及一些专门锁定运动功能、健康监测功能的产品，这些产品有些仅能做简单的计步之用，或是加上脉搏（心率）检测功能，一些高阶产品还可以进行体温、心电图的检测，使得相关产品在市场上蓬勃发展，也吸引众多厂商的投入开发。

这些年来由于COVID-19疫情的大流行，更加速了可穿戴科技的采用，并增强了在卫生保健中的作用，人们更加重视监视自己的健康状态，像是穿戴式健身追踪器、智慧健康手表、穿戴式ECG监视器、穿戴式血压计、穿戴式生物传感器等，都是目前相当常用与热门的可穿戴设备。

完整开发平台加快产品开发速度

为了提供客户加快生命体征监测可穿戴设备的开发，ADI推出了EVAL-HCRWATCH4Z生命体征监测（VSM）手表的开发平台，这是一种模块化开发、演示和数据收集平台，适用于基于ADI的模拟前端和传感器的高性能生命体征监测应用。这种可穿戴、电池供电的设备，可针对光电容积描记（PPG）、皮肤电活动（EDA，基于生物阻抗）、皮肤温度、心电图（ECG，基于生物电势），以及对动作／活动（基于3轴加速度计），进行连续监测和按需抽查测量。它允许在内部存储器中同步多种参数数据存储，以便以后在PC（Windows^®操作系统）或基于Android或iOS的设备上，进行数据检索和离线分析和／或实时监控。

这款VSM手表是一个模块化开发、演示和数据收集平台，具备对平台进行优化的电气和机械设计，承载所有必需的电路，以感知、调节、数字化、处理、存储和无线传输实时生命体征相关数据。该平台可最大限度地降低进行新电子设计所产生的风险，并最大限度地缩短新型最终产品的上市时间，可促进在单电池供电的可穿戴生态系统中评估各种ADI解决方案，展现并解决可穿戴设备相关的挑战，以允许开发人员更专注于其他增值型工作，例如算法的开发，以及整体固件的工程、科学研究和验证。

HCRWATCH4Z评估平台套件包含VSM平台（手表）、充电座、A型USB转微型USB电缆与固件调试板。其中的USB电缆可用于通过充电座给电池充电、升级平台固件，以及下载存储在内部闪存中的数据，用于离线数据分析。此外，VSM手表平台若想进行无线传输，也有可选的蓝牙USB PC外接器（NRF52840），以与PC进行无线通信。

集成高质量器件完善生命体征监测功能

HCRWATCH4Z评估平台可监测各种生命体征，像是采用光电容积描记（PPG）技术进行脉搏检测，其采用了ADI的ADPD4100做为一个完整的多模式传感器前端运行，在VSM手表上激励四个LED，并测量多达八个独立电流输入的返回信号，其有12个时隙可用，每个采样周期可进行12次独立测量。

在动作和活动检测方面，采用了ADI的ADXL362，这是一款超低功耗、3轴、±2 g/±4 g/±8 g的数字输出高分辨率（1 mg/LSB）加速度计，可感测运动状态。其功耗在每秒100个样本（SPS）时为1.8 µA，在400 SPS时为3.0 µA，而其运动激活唤醒模式仅需要270 nA。

在心电图检测方面，则采用了ADI的AD8233，这是一款50 µA低噪声单引线模拟输出生物电位前端，AD8233可连接到位于手表顶部和底部表面的电极，该信号链的配置就像一个动态心电图设备。

HCRWATCH4Z评估平台还可检测生物阻抗，它是使用ADI的AD5940阻抗模拟前端（AFE）进行测量，这两个电极与皮肤之间的正确电接触对于准确可靠的长期测量至关重要。其中这两个电极也用于ECG测量，这会暂时将它们短接在一起，因此当正在进行ECG测量时，阻抗测量无效。

此平台还可进行皮肤和环境温度的检测，它是基于热敏电阻，将用于皮肤温度测量的热敏电阻与手表底部热耦合，该热敏电阻将连接到ADPD4100的其中一个模拟输入。

ADI为VSM手表设计了基本操作模式，并可通过提供的设备配置文件，进行高性能PPG、同步PGG与EDA、同步PPG与ECG抽查、高性能心电图抽查、多波长PPG等功能选择，未来将继续开发其他的功能用例。

这些操作模式旨在演示VSM手表可能存在的不同类型的配置，但并非特定于最终应用。VSM手表的高度可配置性，允许对现有硬件、软件和固件无法支持的配置进行编程，用户可以加载这些用例做为良好基础的起点，以便在针对特定目的修改平台之前，探索感兴趣的各种量测科技。

提供算法与用例以及丰富的在线资源

在嵌入式算法的评估上，包括从3轴加速度计获取原始数据，并输出行走步数的计步器算法，以及从ADPD4100的数字化输出被馈送到该算法的自动增益控制，以确保LED电流和AFE增益配置适当，最大限度地提高光信号的有用性。默认目标是每个LED有70%的允许范围（可单独决定），该增益控制尚未经过优化，以实现理想的性能与功耗，但可以根据最终应用的要求进行进一步改进，以实现更长的电池寿命。

该算法还可使用PPG/ADPD信号测量心率，同时消除基于运动的干扰，它在单信道PPG/ADPD信号与3轴加速度计数据上运行以产生心率，该算法以预构建的Cortex-M4库以及头文件方式提供，旨在处理50Hz的PPG和加速度计数据。

通过可穿戴设备收集的PPG信号容易产生噪声源和其他的错误数据，将对传感器测量精度产生负面影响，信号质量指数（SQI）算法为PPG数据的每个时间窗口／段提供分数（指数），以确定它是否具有足够高的质量，以用于其他生命体征提取或临床诊断算法来估计心率。SQI功能支持25-100Hz的PPG信号频率，SQI分数是一个介于0（信号质量差）和1（质量极好）之间的浮点值。

在心电图心率监测方面，该算法通过检测ECG信号的QRS峰值，从ECG信号测量心率。该算法以预构建的Cortex-M4库以及头文件方式提供，设计用于处理ODR高达200Hz的ECG信号。

为了协助客户加快产品的开发速度，艾睿电子和ADI提供了一套丰富的技术信息和用户文文件等开发者资源，所有这些都可以在艾睿电子的Github网站上在线获得，如VSM手表的硬件和软件附属的Github仓库、VSM手表维基页面，也可以查看相关器件的更多信息，例如高精度、阻抗和电化学前端－AD5940BCBZ，超低功耗、1.8 V、3 mm × 3 mm、2通道电容转换器－AD7156BCBZ，50 μA、2 mm × 1.7 mm WLCSP、低噪声、可穿戴产品心率监测器－AD8233ACBZ-R7，具有超低功耗电量计、电池保护、降压和降压升压功能的高级电池管理PMIC－ADP5360ACBZ-1-R7，微功耗、3轴、±2 g/±4 g/±8 g数字输出的微机电（MEMS）加速度计－ADXL362BCCZ，以及多模态传感器前端–ADPD4100。

结语

支持生命体征监测功能的可穿戴设备，已经成为现代人追求健康的最佳科技产品，是正在快速发展中的新兴蓝海市场，值得厂商们积极投入相关产品开发。ADI推出的HCRWATCH4Z评估平台已经集成众多高质量的器件，并提供优异的软硬件产品参考设计，是厂商们开发相关产品的跳板，值得有兴趣投入的厂商深入了解。