可穿戴技術(shù)注定將是下一次數(shù)字健康革命的基礎(chǔ)，智能且自動(dòng)的實(shí)時(shí)控制/監(jiān)控會(huì)成為醫(yī)療領(lǐng)域最重要的應(yīng)用，可為患有長(zhǎng)期慢性疾病的患者提供高品質(zhì)的護(hù)理和更好的生活質(zhì)量。但必須指出的是，可穿戴設(shè)備的供電問(wèn)題可能是一個(gè)難以克服的障礙。

每一代新的健身腕帶和智能手表都集成有更多的功能，這些可穿戴設(shè)備中越來(lái)越多的功能通常會(huì)導(dǎo)致更高的功耗。當(dāng)然，同樣的規(guī)則也適用于醫(yī)療設(shè)備。但用于活動(dòng)跟蹤和患者監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備具有嚴(yán)格的空間限制，不能采用體積較大的電池，因此，需要采用更多創(chuàng)新的電源管理技術(shù)來(lái)控制系統(tǒng)的功率預(yù)算水平。

如果要使可穿戴設(shè)備發(fā)揮作用，則患者必須能夠舒適地長(zhǎng)時(shí)間佩戴（因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，可能需要不間斷地佩戴，以便能夠收集所需的數(shù)據(jù)）。可穿戴設(shè)備也不應(yīng)該太重，導(dǎo)致患者疲勞，在考慮老年患者或嬰兒應(yīng)用時(shí)尤其如此。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

任何可穿戴醫(yī)療設(shè)備都需要集成各種不同的關(guān)鍵電子元件。這些包括：

·  一個(gè)微控制器單元（MCU），用于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理。

·  某種形式的電池，用于存儲(chǔ)運(yùn)行所需的能量。

· 傳感器，如加速度計(jì)、陀螺儀、心率監(jiān)測(cè)儀等。

· 能夠支持藍(lán)牙低功耗（BLE）或近場(chǎng)通信（NFC）等技術(shù)的通信接口。

· 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)保護(hù)的加密機(jī)制（確保私人醫(yī)療信息受到保護(hù)）。

使用何種MCU和傳感器可以確定設(shè)備的特性和功能，因此也就確定了預(yù)期的應(yīng)用。臨床醫(yī)療設(shè)備必須高度準(zhǔn)確和可靠，易于管理，并具有高效的數(shù)據(jù)保護(hù)功能，能夠記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間可擴(kuò)展至一年或更長(zhǎng)時(shí)間。用于設(shè)計(jì)此類(lèi)項(xiàng)目的系統(tǒng)級(jí)電源管理工程方法包括若干功能模塊，其中基于對(duì)電源的不同需求而分別共享一些電源域。通過(guò)這種方式，可以為每個(gè)域?qū)崿F(xiàn)最佳布局，以最大限度地提高電源效率（如圖1所示）。某些域在未被利用時(shí)可以被完全禁用，例如RF元件，以及對(duì)時(shí)間不敏感的高占空比功能。位于系統(tǒng)核心的MCU必須將超低功耗電源管理與高集成度外設(shè)整合在一起。

圖1：具有各種電源域的可穿戴設(shè)備典型內(nèi)部電路配置。

電池技術(shù)

可穿戴設(shè)備中最常用的電池化學(xué)物質(zhì)是鋰離子（Li-Ion）和鋰離子聚合物（LiPo）。鋰離子電池由有機(jī)電解質(zhì)組成，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.2V～4V（初級(jí)和次級(jí)）。這兩種化學(xué)物質(zhì)在儲(chǔ)能容量方面不盡相同，其中以鋰離子電池更高。

鋰離子電池對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小，并且具有適中的尺寸和輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但這種電池的容量與其尺寸直接相關(guān)，因此在空間受限的設(shè)計(jì)中會(huì)導(dǎo)致明顯的儲(chǔ)能降低。石墨烯等電池材料技術(shù)正在取得進(jìn)步，這些新技術(shù)能夠確保儲(chǔ)能水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前的鋰離子電池，未來(lái)的應(yīng)用可以從中受益，目前正在進(jìn)行的許多研究項(xiàng)目都在瞄準(zhǔn)這一目標(biāo)。與納米技術(shù)相關(guān)的研究進(jìn)展將能夠使超級(jí)電容器作為一種存儲(chǔ)電能的方式，能夠供可穿戴設(shè)備使用。

超低功率MCU

在醫(yī)療可穿戴設(shè)備應(yīng)用中，MCU必須能夠在待機(jī)模式下消耗大約nA級(jí)的電流，在完全運(yùn)行時(shí)達(dá)到最高幾百μA的電流。 MCU不僅要處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，還必須管理電源，僅在系統(tǒng)特定部分需要時(shí)才提供電流，從而不會(huì)浪費(fèi)電能。

Maxim Integrated的MAX32660 MCU（詳見(jiàn)圖2）針對(duì)可穿戴設(shè)備應(yīng)用而設(shè)計(jì)，能夠提供高性能與高能效的完美組合。它具有32位ARM Cortex-M4內(nèi)核和內(nèi)置FPU處理器，可以訪問(wèn)足夠的內(nèi)存來(lái)運(yùn)行高級(jí)算法，并可管理與其連接的任何類(lèi)型傳感器。該MCU還擁有業(yè)界領(lǐng)先的功率性能指標(biāo)（高達(dá)50μW/ MHz），采用緊湊型WLP封裝，外形尺寸僅為1.6mm x 1.6mm。

圖2：MAX32660的功能框圖。

Microchip可提供范圍廣泛的超低功耗32位MCU，以滿(mǎn)足可穿戴醫(yī)療市場(chǎng)的需求，其中包括基于ARM Cortex-M0+架構(gòu)的最小SAM D MCU，一直到超低功耗SAM L系列和高性能PIC32MX XLP系列。這些MCU在工作模式下每周期的功耗低于35μA/ MHz，在睡眠模式下僅消耗200nA的電流。它們都集成有豐富的功能，包括LCD端口、運(yùn)算放大器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和mTouch感測(cè)、以及USB和DMA接口。它們還連接有低功耗外設(shè)，以便在沒(méi)有CPU中斷的情況下實(shí)現(xiàn)幾乎沒(méi)有延遲的數(shù)據(jù)共享（見(jiàn)圖3）。

圖3：Microchip PIC32MX的功能框圖。

在可穿戴領(lǐng)域中使用的其他32位MCU解決方案還包括基于ARM Cortex-M3的Silicon Labs EFM32 Giant Gecko。Giant Gecko MCU能夠提供自主的低功耗外設(shè)，包括用于提高安全性的AES加密、UART、低能耗傳感器接口和運(yùn)算放大器（更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)圖4）。

圖4：EFM32功能框圖。

能量收集

正如我們已經(jīng)討論過(guò)的那樣，可穿戴設(shè)備沒(méi)有在醫(yī)療專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)得到廣泛使用的主要原因之一是需要定期給電池充電，患者可能會(huì)忘記這些，或者需要護(hù)理人員來(lái)承擔(dān)這些工作。通過(guò)改進(jìn)電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)，一種替代方案是采用能量收集技術(shù)。這類(lèi)電池可以從外部能源（例如太陽(yáng)光、熱梯度或運(yùn)動(dòng)）收集能量以對(duì)醫(yī)療設(shè)備充電 ，因此可以無(wú)限期地運(yùn)行而無(wú)需進(jìn)行電池充電。

通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)或熱量來(lái)獲取能量取決于佩戴者消散的能量。對(duì)于一般人來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)字大約是107焦?fàn)?/天，這相當(dāng)于20kg電池存儲(chǔ)了2500mA / h的電能，理論上講，如果可以有效地利用，將能夠提供足夠的能量?jī)?chǔ)備。

熱電能技術(shù)是通過(guò)利用塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）將熱量轉(zhuǎn)化為電能，即依靠熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫度梯度產(chǎn)生成比例的電位差，構(gòu)成Peltier 單元 的一對(duì)半導(dǎo)體將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供必要的元件。對(duì)于可穿戴設(shè)備，持續(xù)散發(fā)熱量的人體可以用作暖側(cè)，而周?chē)h(huán)境則可以作為熱電技術(shù)收集電能所需的冷側(cè)。不同于從光伏電池收集的太陽(yáng)能（只能在白天進(jìn)行），這種設(shè)置的主要優(yōu)點(diǎn)之一是白天和夜晚都具有可持續(xù)使用的能源。

能量收集的另一種形式是利用患者四肢振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能。這種情形下，壓電元件在每次機(jī)械運(yùn)動(dòng)后都會(huì)產(chǎn)生電流。對(duì)于可穿戴設(shè)備中的能量收集，壓電元件通常設(shè)計(jì)成通過(guò)佩戴者在行走、呼吸或移動(dòng)手臂及腿時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電流。 Wurth Electronics的Energy Harvesting Solution to Go 開(kāi)發(fā)套件可以輕松得到能量收集技術(shù)，幫助開(kāi)發(fā)人員為可穿戴設(shè)備構(gòu)建電源管理電路。

DC / DC轉(zhuǎn)換器

DC / DC轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是為所有外圍設(shè)備提供和保持恒定電壓。通過(guò)MCU的指令，它能夠管理鋰離子電池中存儲(chǔ)的所有能量，這些組件需要滿(mǎn)足嚴(yán)格的指標(biāo)要求，同時(shí)消耗盡可能少的能量。凌力爾特公司的LTC3107（如圖5所示）是一款高集成度DC / DC轉(zhuǎn)換器，旨在通過(guò)能量收集機(jī)制延長(zhǎng)功率受限系統(tǒng)中主電池的使用壽命。通過(guò)使用一小部分熱能，它可以顯著延長(zhǎng)電池壽命，從而降低了與更換電池相關(guān)的經(jīng)常性維護(hù)成本。

圖5：LTC3107 DC / DC轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。

可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是持續(xù)小型化，具有更小和更高集成度的封裝，因而需要更先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)，并且在許多情況下，也需要采用某種形式的能量收集技術(shù)。選擇合適的數(shù)字電路、電池和相應(yīng)的DC / DC轉(zhuǎn)換器解決方案是完成所需超低功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。