監(jiān)測和跟蹤心率所饺，呼吸，活動和其他健身相關(guān)數(shù)據(jù)的健身樂隊現(xiàn)在是日常消費品，但它們只是更大的可穿戴健康痪僵，健身和醫(yī)療領(lǐng)域中最明顯的一部分。現(xiàn)在倍挚，可穿戴設(shè)備開始在醫(yī)院和家庭中轉(zhuǎn)變醫(yī)療保健暮诫，幫助降低成本，增加患者對自己護理的參與绪忙，提供全天候監(jiān)控参唆，甚至根據(jù)預(yù)設(shè)的時間表管理藥物。

可穿戴醫(yī)療設(shè)備可以監(jiān)控廣泛的臨床測量：心率和呼吸肘渔，以及氧氣水平躯殷，血糖水平，水合作用，血壓独府，皮膚電導(dǎo)吩伊，溫度，大腦活動等診斷指標(biāo)婆沟。然后記錄數(shù)據(jù)并以無線方式傳達給醫(yī)務(wù)人員便螟，他們有潛在問題的永久記錄和預(yù)警。

與許多其他醫(yī)療監(jiān)測技術(shù)一樣唠摹，ECG已經(jīng)從昂貴的固定基礎(chǔ)機器發(fā)展成為低成本的可穿戴設(shè)備爆捞。（資料來源：TI“生物啟發(fā)傳感的進步幫助人們過上更健康的生活”PDF）

從笨重的固定基座安裝過渡到患者幾乎沒有注意到的微小模塊已經(jīng)很長時間了（圖1）。例如勾拉，當(dāng)?shù)谝粋€心電圖（ECG）機器出現(xiàn)在1908年時嵌削，它需要五個人操作并且患者必須將每個肢體放置在一桶鹽水中。盡管如此望艺，這比之前的情況有了很大的改進：直到19世紀末苛秕，醫(yī)學(xué)科學(xué)家才能通過直接檢查心臟來記錄心臟活動。當(dāng)然找默，它的主人必須死了艇劫，但仍然.......

當(dāng)前的醫(yī)療可穿戴設(shè)備不僅可以監(jiān)控患者的心跳。它們將多種功能組合到一個生物傳感器中惩激。例如店煞，VitalConnect的臨床級VitalPatch包含ECG電極，三軸MEMS加速度計和熱敏電阻风钻。除心率外顷蟀，該貼片還可實時監(jiān)測呼吸頻率，皮膚溫度以及身體姿勢缎选，活動水平和跌倒檢測等指標(biāo)展管。醫(yī)院工作人員可以通過醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問信息。

必須降低權(quán)力

幾乎所有手持式和可穿戴產(chǎn)品都有一個共同點：每一代產(chǎn)品都包含更多的功能和更高的性能否胜。這些功能的組合通常會增加功耗瓣老，但可穿戴設(shè)備是電池供電的，并且通常不可能增加電池的物理尺寸忽愧，因為較小的封裝也是典型的產(chǎn)品要求崇已。

最簡單的解決方案可能是讓用戶只需更換新電池，然后離線為已用完的設(shè)備充電脑苫。然而贱起，對于設(shè)計師來說，將電池密封在外殼中會帶來許多優(yōu)勢 - 它可以為增加的功能騰出空間; 提供靈活性舱踊，可以改變標(biāo)準矩形以外的電池形狀; 允許更小迫扫，更纖薄的包裝; 并改善對水和灰塵侵入的抵抗力掐悄。

因此，可拆卸電池大部分已從智能手機刻渔，健身帶和類似設(shè)備中消失帅刀。醫(yī)療可穿戴設(shè)備比消費設(shè)備有更嚴格的要求。它們必須不受各種化學(xué)品的影響远剩，包括溶劑和體液扣溺，電池必須一次使用幾天。

由于更換電池不是一種選擇瓜晤，因此需要采用多方面的設(shè)計解決方案來平衡圓形锥余，同時在供應(yīng)和需求方面進行創(chuàng)新。兩個明顯的選擇是：

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• 供應(yīng)：提高電池本身的性能痢掠，使更小的電池可以保持更多的能量驱犹。

• 需求：降低可穿戴電子設(shè)備的功耗，以增加所選電池的運行時間

在供應(yīng)方面足画，鋰離子電池的性能仍在不斷提高雄驹，其他化學(xué)品正逐漸進入生產(chǎn)階段。然而淹辞，大多數(shù)工作都在需求方面進行医舆，集成電路制造商正在從頭開始設(shè)計組件，以便在每種操作模式下實現(xiàn)最低功耗象缀。

可穿戴應(yīng)用中的部件在正常操作期間必須是節(jié)能的彪饺，但是許多可穿戴設(shè)備僅需要例如以間隔進行心率測量，并且可以將大部分時間花在低功率睡眠狀態(tài)促弯。因此通冕，大多數(shù)設(shè)備包括切換到低功率模式并根據(jù)需要快速喚醒的能力。

TI的MSP430系列超低功耗微控制器（MCU）就是一個很好的例子诲厚。除了全面的外設(shè)集外创炉，MSP430器件還具有多種低功耗模式，并針對便攜式和可穿戴應(yīng)用中的延長電池壽命進行了優(yōu)化钟展。

這種脈搏血氧儀參考設(shè)計僅為0.609×0.413英寸烙巩。（來源：TIDA-00311-微型脈搏血氧儀參考設(shè)計）

這些低功耗特性在TI的微型脈搏血氧儀參考設(shè)計中 得到了充分利用（圖2）瓶答≈疲控制MSP430F5528在待機模式下僅消耗1.9μA電流，電源電壓為2.2 V. 該參考設(shè)計的AFE4403集成模擬前端（AFE）針對此應(yīng)用進行了優(yōu)化山毛，因此它具有動態(tài)關(guān)斷模式遍削，可在每個脈沖重復(fù)周期的未使用部分期間關(guān)閉模塊朱泞。

另一種醫(yī)療可穿戴參考設(shè)計 （圖3）實現(xiàn)了一個多參數(shù)患者監(jiān)護儀黑竞，該監(jiān)護儀使用AFE4900單芯片生物傳感前端提供同步心電圖（ECG）和光電容積脈搏波描記（PPG）測量。然后汁咏，CC2640R2F藍牙低功耗（BLE）微控制器將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇钠桨咫娔X或智能手機。該MCU采用運行頻率為48 MHz的32位Arm Cortex-M3內(nèi)核样悟，針對長電池壽命和小尺寸應(yīng)用進行了優(yōu)化拂募。

3. TIDA-01580參考設(shè)計是基于AFE4900生物傳感器的多參數(shù)患者監(jiān)護儀。（來源：TI設(shè)計：TIDA-01580“可穿戴窟她，無線陈症，多參數(shù)病人監(jiān)護儀參考設(shè)計”PDF）

原始數(shù)據(jù)可用于計算標(biāo)準臨床指標(biāo)：心率，血液中的氧濃度（SpO 2）震糖，脈搏傳導(dǎo)時間（PTT）和ECG录肯。兩個板載發(fā)光二極管（LED）指示用戶的低電池檢測和ECG導(dǎo)聯(lián)檢測。

雖然這種設(shè)計使用可更換電池吊说，但低功耗仍然是首要任務(wù)论咏。例如，CC2640R2F MCU在有功和低功耗模式下都具有低電流消耗颁井。它包括一個傳感器控制器厅贪，能夠在芯片的其余部分處于睡眠模式時自動收集模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)。完整的參考設(shè)計可以從一個CR3032紐扣電池運行30天雅宾。

新解決方案提高電池充電效率

在努力降低功耗的同時泛汁，不斷推動改善充電系統(tǒng)的性能以最大化電池充電并最小化停止服務(wù)的時間。

德州儀器（TI）開發(fā)了多種參考設(shè)計陶焙，以幫助工程師為消費產(chǎn)品開發(fā)超低功耗電池充電電路寿经。許多設(shè)計技術(shù)直接適用于具有同等要求的醫(yī)療可穿戴設(shè)備。

例如听量，無線耳塞通過手提箱內(nèi)的電池充電剖坟。充電器必須具有高效率和小尺寸。圖4顯示了無線耳塞電池充電系統(tǒng)的超低待機功耗參考設(shè)計榕暴。該設(shè)計可提供高達1.5 A的快速充電绪桑，充電精度為1 mA。

用于無線耳塞的電池充電系統(tǒng)依賴于USB電源飘具。（來源：TI設(shè)計：TIDA-050007“用于無線耳塞式電池充電器的超低待機功耗參考設(shè)計PDF）

大多數(shù)電路都位于耳塞式充電盒中猴试。該bq24073鋰離子電池充電器從USB輸入和充電電池BAT1得電，以及供電的TPS61099同步升壓轉(zhuǎn)換器提供電源的耳塞電池BAT2载易。耳塞包含bq25100A電池充電器粒惜，可以精確控制耳塞式250-mA單節(jié)鋰離子電池的充電周期。兩種充電器都遵循特有的三相鋰離子充電曲線：調(diào)節(jié)颈墅，恒定電流和恒定電壓蜡镶。BAT1在沒有USB連接的情況下提供充電電流。

由于低充電電流恤筛，可以為兩個電池充電器選擇線性拓撲官还。線性設(shè)計比等效開關(guān)設(shè)計更緊湊芹橡，成本更低，因為它們不需要大而昂貴的電感器望伦。雖然線性充電器的熱性能不如更高效的開關(guān)設(shè)計林说，但它足以滿足這種應(yīng)用。在更高的電流水平下屯伞，切換器更可取述么。

甲TLV713P 150毫安低壓降穩(wěn)壓器（LDO）提供一個2.5 V電源軌MSP430FR2100，其監(jiān)視所述充電電流愕掏，并控制TPS61099升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的微控制器度秘。

當(dāng)USB輸入電壓高于所需輸出電壓時，充電器參考設(shè)計支持直通模式饵撑。該設(shè)計實現(xiàn)了高于85％的效率剑梳，待機電流僅為18μA。

能量收集：電子“免費午餐”拙故？

隨著組件的功耗不斷降低窃德，醫(yī)療可穿戴設(shè)計人員可以研究使用能量收集對電池充電的新方法。換句話說亮倍，利用否則會浪費的環(huán)境能量忆颇。

太陽能，來自靜電的摩擦電能纠惧，來自運動的動能和熱量都可以轉(zhuǎn)換成電能卿截。然后，能量將補充可穿戴電池并延長充電周期之間的時間赛虽。理想情況下拨蓖，設(shè)備可以完全由環(huán)境能量供電并完全消除電池。

提高轉(zhuǎn)換裝置的效率是一個積極研究的領(lǐng)域刺泌。最新的染料敏化的光伏（太陽能）電池（DSSC）照旺，例如，可以輸出20-25μW/厘米2  的功率在200勒克司（流明/米的照度2）-A低得多的照明電平比600-在一個典型的辦公室找到1500勒克斯男枝。

基于薄膜技術(shù)的熱電發(fā)電機（TEG）具有前景酝浦，研究人員甚至展示了由直徑為1-2原子的納米線組成的熱電結(jié)構(gòu)。由于人體中自然產(chǎn)生的熱源场刑，TEG在增加植入式醫(yī)療設(shè)備的電池壽命方面具有很大的前景般此。

可穿戴設(shè)備非常小，因此安裝太陽能電池或添加TEG的空間的表面積有限摇邦。因此恤煞，收獲的功率非常小 - 微瓦到毫瓦 - 并且原始輸出電壓必須提升到有用的水平。但是施籍，對于超低功耗IC居扒，例如MSP430 MCU和上述其他器件，它仍然足夠丑慎。

德州儀器（TI）提供一系列超低功耗能量采集IC喜喂，適用于各種醫(yī)療健身和工業(yè)應(yīng)用。這些IC適用于多種儲能技術(shù)竿裂，包括電池（鋰離子電池玉吁，鋰聚合物，鉛酸腻异，鎳氫電池和鎳鎘化學(xué)品）和超級電容器进副。

5. bq25570是從太陽能電池和類似來源獲取能量的有效方法。（來源：TI E2E：“自供電醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備：利用自由環(huán)境能量”）

的bq25570超低功率采集器和電源管理IC被設(shè)計為有效地從高輸出阻抗的太陽能電池或提取的TEG功率而不塌陷這些來源（圖5） 铣修。該器件集成了高效的升壓充電器和納米功率降壓轉(zhuǎn)換器遣抄，可為具有嚴格功率和操作要求的系統(tǒng)提供第二個電源軌，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）杭喊。

由于提取的功率可以有很大差異庵臼，因此bq25770具有電池管理功能，可確笨臼眩可充電電池始終保持在其安全工作區(qū)域（SOA）內(nèi) - 在放電期間既不會過度充電也不會耗盡超出安全限值揽邀。該器件采用小型20引腳，3.5×3.5 mm QFN封裝肴奠。類似的設(shè)備包括bq25504和  bq25505辙势。

結(jié)論

可穿戴設(shè)備代表了當(dāng)前和未來的醫(yī)療保健浪潮。它們在從實時患者監(jiān)測到藥物輸送的多個領(lǐng)域中具有前景乡优，但是可用于電池的小空間對設(shè)計者施加了嚴格的限制沟密，特別是在功耗方面。

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