下一代可穿戴芯片实现更全面的远程病人监测

日期:2021-11-15

PSDC主编 刘洪

2021年8月,美信(Maxim Integrated)正式完成并入ADI公司,成为全球模拟半导体市场又一巨无霸,营收将超过82亿美元。正在与ADI进行业务整合的美信日前举办线上新产品发布会,Maxim Integrated(现已并入ADI)工业与医疗健康事业部医疗健康产品线总经理Andrew Baker和电池电源方案事业部多功能电源产品线执行总监Karthi Gopalan分享了其实现更全面远程病人监测的最新可穿戴芯片。
 
去中心化医疗平台助降本成增效
统计表明,伴随通货膨胀速度的增加,目前全球医疗健康费用总体花费约9万亿美元,而远程病人监护的增加能有效降低医疗成本,不管近期还是远期,都能改善健康护理效果,提高人们的生活质量。
Andrew Baker表示,传统医疗健康护理一直集中在特定医疗机构,患者必须去这些场所才能获取相关的监测或治疗。这种模式意味着需要远距离交通行程,给日常生活和工作带来不便。“而去中心化医疗健康护理将大大提升患者的便捷度。因为,远程监护不需要患者每次都到医疗机构,且几乎不干扰人们的日常生活。连续远程监护可以有效做到早期检测,发现病症早期检测和诊断,离成功治愈也就更近一步,治疗结果也能更好。”他说。
反过来讲,更好的治疗结果也降低了整体治疗成本,提升了患者的健康指数和幸福指数。从数据统计来说,连续远程检测可以采集更多的相关数据,结合相应的数据分析及处理,根据数据做出有效决策。数据分析配合医疗研究和持续创新可以进一步提高药物药效及医疗功效。
 

医疗成本压力
 
Yole传感与执行团队首席分析师Jerome Mouly说:“健康应用正在被许多公众接受,原因是可以量化自我,帮助人们以预防性方式监测其健康参数,防止慢性病的发展,并推动医疗系统转型,以应对成本压力。”
关键生命体征传感技术的创新加速了医疗数据的采集,也使得人们对医疗健康监护的获取有了更全面的途径,可穿戴医疗健康设备持续新增更多临床检测功能,可以为远程病人监护提供更全面、更综合的方案。
 
医疗健康服务个性化市场看好
根据Yole 2020年发表的报告显示,医疗健康可穿戴产品市场规模将从2019年的3.47亿件增长到2025年的7.54亿件,主要驱动力是医疗类可穿戴市场和消费类可穿戴市场,这方面有共同的潜在需求,即多项关键生命体征监测,这对芯片供应商是绝佳的机遇。
 

医疗健康可穿戴产品市场规模
 
可穿戴设备也在推动消费和医疗电子市场的增长,Yole还预计,到2025年,可穿戴设备市场将达到979亿美元,年复合年增长率为11.2%。
Yole认为,可穿戴设备不仅引起了消费电子产品制造商的兴趣,也吸引了医疗设备公司的注意,特别是在新冠疫情流行时期。具有医疗保健功能的可穿戴设备在新冠疫情中获得了监测生命体征的动力。然而,将医疗功能结合起来并不能成为一种医疗设备,这些医疗可穿戴设备的关键标准是系统可靠性及其生成数据的准确性。例如,医疗可穿戴设备可以为糖尿患者者提供微创CGM(连续血糖监测),取代血糖仪测量。另外,越来越多地使用贴片可以让患者更早回家,而只需对其进行远程监控。如今,医用可穿戴设备约占可穿戴设备收入的20%。
 

可穿戴设备的时间线:融入医疗健康功能
 
为了满足门诊医生和用户的需求,可穿戴设备正在增加健康检测技术,以提供全面的远程健康监护,监测关键生命体征,从而更好地服务于疾病预测和疾病预防以及慢性病管理。今天,让病人呆在家里,加速推进远程医疗和联网监测已成为一个趋势。
 
全面的远程医疗监护方案
Andrew Baker指出,未来可穿戴设备将改善慢性病的早期发现与管理方式,可以远程监测关键生命体征测量,包括预测、预防性监测、慢性疾病管理。同时判别致命情况的发生,降低昂贵的住院治疗风险。
他举例说,腕式可穿戴设备可用来检测不规则心脏活动或心率失常和房颤;戒指式可穿戴设备可以24×7小时无感知监测生命体征,对用户极为方便;胸前医疗贴片能检测多种类型的心率失常疾病,对患者进行持续监测。可穿戴设备还可以连续监测慢性阻塞性肺病,持续监测及干预能有效降低病情恶化和重症住院治疗的风险。
从全球来看,慢性阻塞性肺病影响着超过2.51亿人的生活;睡眠窒息症影响着近10亿成年人的睡眠,这种病症导致他们的生产力下降,也增加了出现意外的风险。
 

一些疾病的影响
 
以体戴式医疗贴片为例,它可以收集生命体征数据并上传到云端,供临床医生参考。远程病人监护可以准确反馈治疗策略的有效性,从而有效降低病症对生活的影响,为人们提供更高质量的健康。
 
支持远程病人监测的临床级AFE
ADI新推出的MAX86178是一个支持远程病人监测的临床级模拟前端(AFE),是集成了三个测量系统的临床及关键生命体征监测单芯片,三个完整测量系统包括光学、心电及生物阻抗,可以实现四种关键生命体征测量(ECG(心电图)、心率、血氧饱和度和呼吸率)。
在三个子系统中,ECG部分模拟前端可以做到临床等级ECG测量,支持HR和心律失常检测;符合IEC60601-2-47医疗标准。PPG提供临床级SpO2血氧测量,SNR(信噪比)高达113db。设计灵活的生物阻抗测量通道支持ICG、BIA/BIS、GSR/EDA监测。
MAX86178支持多项生命体征检测,可以加快产品上市时间。使用MAX86178的可穿戴设备比以前的分立方案尺寸更小,且采集信号可以实现和光学PPG和ECG系统的完全同步。
另外,MAX86178利用多项可配置电源,支持针对特定用户场景的功耗优化。其封装采用WLP(晶圆级封装),尺寸仅为2.6mm×2.8mm。
 

MAX86178框图
 
MAX86178单芯片模拟前端的三重采集系统可以实现四重关键生命体征采集:
  • 利用PPG光学测量血氧饱和度(SpO2),用于检测肺功能、睡眠障碍等;
  • 利用BioZ测量呼吸率,检测呼吸变化和呼吸深度;
  • 通过心电图或光学PPG测量心率或心率变化率。
  • 测量心电图ECG或EKG,实现房颤检测和心脏健康状况监测。
 

三重系统四重关键生命体征采集
 
从典型远程监护贴片系统框图可以看出,通过外接光学器件(如LED和PD)、电极形成了一个完整的系统,用MAX86178作为模拟前端实现各种测量。其中还包括低功耗蓝牙MCU,用一个M4F内核MCU就可以实现数据处理加密及低功耗蓝牙传输。ADI还提供完整的电源管理解决方案以及温度传感器等。


远程监测贴片系统框图
 
Andrew Baker最后表示,可穿戴医疗设备的未来正在加速到来,MAX86178这样的三合一系统用单芯片完成了四项生命体征采集,使心电图、心率、血氧饱和度、呼吸率的采集系统变得更精简。
 
为新一代消费和医疗可穿戴设备赋能
接着,Karthi Gopalan介绍了医疗健康服务向个性化转型过程中可穿戴设备所面临的挑战,特别是电源。她指出,随着电池供电的便携式诊断仪器的不断涌现,电源管理和生物传感器协同工作的创新成为了电源系统设计师必须要考虑的一个课题。这意味着在不牺牲传感器信号精确度的情况下,要保证最少的功耗和最小的尺寸。
她说:“作为电池电源事业部,这些年来一直在关注消费电子品牌正在其电子设备中加入更多的医疗追踪功能,以获得更大的市场占有率。但健康设备设计也面临着很多挑战。除了数据测量的精确度,设备还要有舒适度,轻薄小巧,而且温度不能升高;电池的续航能力同样非常重要。”
她解释说:“用户担心他们的电池没电,要反复充电;在急着使用时,快速充电就是非常急需的一个功能。”
传统可穿戴设备会使用一个传统电源管理芯片或几个独立的稳压器为设备中的各个功能元件供电。而且,传统方案使用功率比较小的充电器,为的是减小体积。新的解决方案有更多传感器,功能也更多,同时需要更强大的人工智能处理芯片,这对电源芯片提出了更高的要求。
 

传统与新方案对比
 
更精确的GPS、音频和触屏反馈,要求电源能够稳定提供电压、电流,使传感器信噪比不受到影响。为了更快的充电,需要一个开关模式充电器。所有这些功能都需要塞进一个非常小巧轻薄的随身设备中。ADI所提供的突破性低功耗单电感多输入(SIMO)PMIC可以满足及超越以上所有需求。
MAX77659就是这样的产品,这款单电感多输入结构器件提供三路开关模式电源输出及一个开关模式充电,大大节省了整体解决方案的面积和体积,而传统芯片至少需要四个电感。而电感是电源解决方案中外部最大的无源元件。
相对市场上现有的其他电源管理芯片,MAX77659可以在安全前提下为可穿戴设备、耳戴设备和物联网设备提供更快的充电速度。SIMO充电器可将充电速度提高四倍。
 

MAX77659单电感多输出(SIMO)技术
 
测试表明,在短暂充电10分钟后,这个芯片就可以为产品提供4小时的播放时间。用单个电感为多个输入轨供电,可以将物料清单减少60%,同时电源解决方案体积将减小50%。
 

MAX77659 SIMO PMIC框图
 
Karthi Gopalan介绍说,MAX77659集成了一个开关模式Buck Boost充电器和三个独立可编程Buck Boost稳压器,这些功能都共用一个电感,最大程度缩减了解决方案尺寸,通过高于91%的重载效率和低至5μA的静态电流,这些稳压器可大大延长电池寿命。
MAX77659充电器还具有自动余量控制,通过最大限度降低压降来减少功率损耗及控制热量,提高充电效率。
她以典型助听器充电为例说明了四倍充电速率,助听器电池容量一般在30mAh到60mAh之间,当电池接近耗尽时,电池电压大概在3V左右,这时需要用2C到3C的电流为电池快速充电。
然而,这时如果电池电压只在3V,线性充电器效率会非常低,产生的热量也非常多。为了做到防尘防水,设备一般是密封的,所以充电产生的热量会被包裹在设备内部,没有办法往外扩散。升高的温度会触发安全充电保护,致使充电速率大幅降低,反之,带有自主余量跟踪功能MAX77659则能够在同样工作条件下显著降低快速充电产生的热量。
 

SIMO充电器四倍充电速度
 
可以看到,在起始位置为30℃时,现有方案充电30秒后,芯片温度已经达到了50℃以上,这样的情况一定会触发安全保护。在相同充电电流速率下,MAX77659提供的性能更好,其芯片温度依然维持在37℃以下,这样就能让充电速度更长时间保持在2C到3C的速率,进而大幅度缩短充电时间。
 
未来是数字、物理与个性化融合的时代
从以上ADI两位讲者的观点看,未来以患者为中心的医疗系统将继续蓬勃发展。全球趋势是:护理系统将从碎片化向更统一、更移动快捷的医疗保障系统转变。
MAX86178的推出正在改变整个行业应用,多功能可穿戴医疗设备的普及将让人们的医疗健康更加个性化。而MAX77659突破性集成了内置开关模式的充电体系,可以减少医疗保健设备的物料清单,缩小电源解决方案的尺寸。ADI的MAX86178和MAX77659的采用,使系统工程师更容易设计出具有更丰富的传感器功能且外观更加紧凑的设备。

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