TI-AFE在新型健康检测产品的应用介绍

2022-2-25

Other Parts Discussed in Post: ADS1292R, TIDA-01580

作者：Frank Cai

如今，智能穿戴产品成为我们日常生活中不可缺少的一个部分，耳机、智能手表、手环、智能眼镜等产品已经成为了现代人必备。 2014 年 9 月，Apple 推出了第一款智能手表。从那时候开始，苹果在市场上就掀起了智能穿戴的帷幕，亚马逊、三星、华为、OPPO、vivo等众多公司都卷入了这场智能穿戴引起的浪潮。

从IDC对于2015，2016，2019以及2020年智能穿戴出货量的调研报告可以看出，智能穿戴设备的出货量在逐年增加。在2015年以及2016年的几家主要生产商包括：小米（市场份额37.4%），小天才（市场份额7.4%），乐心和华为（5.4%和5.1%）以及苹果（3.4%）。而到了2020年，智能穿戴市场的主要生产商有了一个很大的改变。从上述的几家生产商变成了以手机厂商为主的主要生产商，如华为，小米，OPPO，苹果以及步步高。同时从份额上看，已经不再是小米一家独大的局面，在各家手机厂商加入到智能穿戴市场后，局面变成了多极化趋势。每一家手机厂商都把智能穿戴作为自身产品的生态环境的重要一部分。以华为的穿戴设备为例，2015年第四季度，华为的出货量仅为639千台。到2019年同季度，其出货量飙升至6182千台。而到2020年，穿戴设备的出货量仍有小幅增长，达到6761千台。由此可见，智能穿戴市场仍有很大的发展潜力，越来越多不同的公司也加入到了这个市场当中争夺份额。

开发不同的新产品最重要的一点是如何抓住客户的目光，并且产品需要能够满足他们的需求。随着科技的发展，健康一直是每个人关注的话题，如何及时查看自身的健康情况的这种需求将会是顾客未来注重的一个看点，同时也是产品需要具备的卖点之一。客户希望通过简单的方法去了解自身的情况而不是去医院进行定期的身体检查。因此，如果是一款可以集成睡眠监测、运动检测，甚至支持生物信号检测的智能手表，如心电图（ECG）、光电容积脉搏波（PPG）、生物阻抗（BIO-Z）测量等。那么这种产品能否吸引客户去购买吗？答案是肯定的。所以，集成不同的健康检测功能，逐渐成为智能穿戴产品的主流趋势。由于这类型智能可穿戴产品或者便携式健康监护仪，完全不像传统的医疗设备（尤其是在于产品尺寸和测量精度）。因此，我们称之为 “新型健康监护产品”。

人体有很多类型的生理信号，如刚刚所提到的PPG 和 ECG 代表的是什么呢？ECG又称之为心电图，可以通过测量身体的电信号来诊断各种心脏的疾病和异常的状态。相比之下，PPG利用新型健康产品的光发射器，产生特定波长的吸收光穿透人体的皮肤和血液，并且反射到接收器，在产品中通过转换，将光信号转换为电信号去提供人体内血压和血流量的相关信息。最后，客户可以通过智能手表、腕带等便携式监测产品去看到相关的数据。

图三：简化的PPG检测流程

由此可见，要满足新型健康监测产品的多应用、多通道需求，AFE产品需要能够支持多应用场景、多通道等需求。此外，由于生理信号在身体内会比较微弱，也容易受到外界的干扰，所以AFE还需要能够检测微弱信号，放大信号以及拥有合适的抗干扰能力。以心电图测量为例，人们利用与人体相连的两个电极之间的差分电压，或者多个电极之间（针对不同导联的需求）的差分电压，取其平均值去反映心脏的状态。由于人体中的电信号非常微弱且难以检测，因此高精度放大器对于测量这些电信号必不可少。 TI 可以通过使用不同的 AFE 产品和设立整个系统解决方案来应对这些应用。在检测心电图当中，我们可以通过使用 ADS129x 系列（此处以ADS1292R作例子）来实现。

ADS1292R 完全集成了ECG 检测和呼吸阻抗测量 (RESP)，适用于便携式、低功耗的生理信号测量产品。器件内部有两个低噪声 PGA 和两个高分辨率 ADC，用于微弱电信号的检测，测量以及放大，同时PGA的增益是可选的，可以满足不同的应用场景。由于器件集成度高，其集成了右脚驱动电路 (RLD)、导联断开检测等功能，因此ADS1292R在AFE市场上极具竞争力。对于客户的定制化应用，例如使用多通道同时用于 ECG 和 RESP 检测与测量，可以通过并联两个 ADS1292R 轻松实现。更详细的参数与使用方法可以通过ADS1292R的数据手册去了解。

TI为不同的客户提供了多种通道和功能选项的AFE，可满足不同的需求的应用场景，并且提供灵活的方案去实现相对应的功能。除了多样化功能和通道，TI的AFE在功耗、噪声性能、封装尺寸等方面同样有一定的优势，在客户的设计中需要全盘考虑这些特性，TI的产品能够使设计更加灵活方便，可以帮助客户简化PCB布局并降低成本。

除了ADS129x系列，TI还有很多高度集成的产品可以支持各种应用场景。例如，产品AFE4500可以支持上述功能以及生物阻抗分析和光学生物传感，通过测出生物阻抗，经过算法的计算以及推导，可以得到人体内不同物质的成分以及生理数据，如体脂，水分等。在市面上的一些终端产品也已经实现了如何快速以及方便的去获取人体的生理数据。除此之外，由于集成了ECG, PPG等功能，在便携式或智能穿戴上使用AFE4500能够同时获取不同的生理数据，在设计上不但简化了复杂电路以及分离方案的互相干扰，同时给客户带来了产品的亮点。对于消费者来说，一个终端产品能够集成多个功能测量一定是一个差异化的产品。基于TI的AFE产品种类繁多，以下是一个简化的选型表格可以作为您选型的参考。对于更多AFE器件，您可以查看参考链接去了解更多TI的AFE产品.