低功耗Mantra环绕着下一代医疗可穿戴设备

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监测和跟踪心率，呼吸，活动和其他健身相关数据的健身乐队现在是日常消费品，但它们只是更大的可穿戴健康，健身和医疗领域中最明显的一部分。现在，可穿戴设备开始在医院和家庭中转变医疗保健，帮助降低成本，增加患者对自己护理的参与，提供全天候监控，甚至根据预设的时间表管理药物。

可穿戴医疗设备可以监控广泛的临床测量：心率和呼吸，以及氧气水平，血糖水平，水合作用，血压，皮肤电导，温度，大脑活动等诊断指标。然后记录数据并以无线方式传达给医务人员，他们有潜在问题的永久记录和预警。

与许多其他医疗监测技术一样，ECG已经从昂贵的固定基础机器发展成为低成本的可穿戴设备。（资料来源：TI“生物启发传感的进步帮助人们过上更健康的生活”PDF）

从笨重的固定基座安装过渡到患者几乎没有注意到的微小模块已经很长时间了（图1）。例如，当第一个心电图（ECG）机器出现在1908年时，它需要五个人操作并且患者必须将每个肢体放置在一桶盐水中。尽管如此，这比之前的情况有了很大的改进：直到19世纪末，医学科学家才能通过直接检查心脏来记录心脏活动。当然，它的主人必须死了，但仍然.......

当前的医疗可穿戴设备不仅可以监控患者的心跳。它们将多种功能组合到一个生物传感器中。例如，VitalConnect的临床级VitalPatch包含ECG电极，三轴MEMS加速度计和热敏电阻。除心率外，该贴片还可实时监测呼吸频率，皮肤温度以及身体姿势，活动水平和跌倒检测等指标。医院工作人员可以通过医院网络上的网络设备访问信息。

几乎所有手持式和可穿戴产品都有一个共同点：每一代产品都包含更多的功能和更高的性能。这些功能的组合通常会增加功耗，但可穿戴设备是电池供电的，并且通常不可能增加电池的物理尺寸，因为较小的封装也是典型的产品要求。

最简单的解决方案可能是让用户只需更换新电池，然后离线为已用完的设备充电。然而，对于设计师来说，将电池密封在外壳中会带来许多优势 - 它可以为增加的功能腾出空间; 提供灵活性，可以改变标准矩形以外的电池形状; 允许更小，更纤薄的包装; 并改善对水和灰尘侵入的抵抗力。

因此，可拆卸电池大部分已从智能手机，健身带和类似设备中消失。医疗可穿戴设备比消费设备有更严格的要求。它们必须不受各种化学品的影响，包括溶剂和体液，电池必须一次使用几天。

由于更换电池不是一种选择，因此需要采用多方面的设计解决方案来平衡圆形，同时在供应和需求方面进行创新。两个明显的选择是：    

在供应方面，锂离子电池的性能仍在不断提高，其他化学品正逐渐进入生产阶段。然而，大多数工作都在需求方面进行，集成电路制造商正在从头开始设计组件，以便在每种操作模式下实现最低功耗。

可穿戴应用中的部件在正常操作期间必须是节能的，但是许多可穿戴设备仅需要例如以间隔进行心率测量，并且可以将大部分时间花在低功率睡眠状态。因此，大多数设备包括切换到低功率模式并根据需要快速唤醒的能力。

TI的MSP430系列超低功耗微控制器（MCU）就是一个很好的例子。除了全面的外设集外，MSP430器件还具有多种低功耗模式，并针对便携式和可穿戴应用中的延长电池寿命进行了优化。

这种脉搏血氧仪参考设计仅为0.609×0.413英寸。（来源：TIDA-00311-微型脉搏血氧仪参考设计）

这些低功耗特性在TI的微型脉搏血氧仪参考设计中 得到了充分利用（图2）。控制MSP430F5528在待机模式下仅消耗1.9μA电流，电源电压为2.2 V. 该参考设计的AFE4403集成模拟前端（AFE）针对此应用进行了优化，因此它具有动态关断模式，可在每个脉冲重复周期的未使用部分期间关闭模块。

另一种医疗可穿戴参考设计 （图3）实现了一个多参数患者监护仪，该监护仪使用AFE4900单芯片生物传感前端提供同步心电图（ECG）和光电容积脉搏波描记（PPG）测量。然后，CC2640R2F蓝牙低功耗（BLE）微控制器将测量数据传输到附近的平板电脑或智能手机。该MCU采用运行频率为48 MHz的32位Arm Cortex-M3内核，针对长电池寿命和小尺寸应用进行了优化。

3. TIDA-01580参考设计是基于AFE4900生物传感器的多参数患者监护仪。（来源：TI设计：TIDA-01580“可穿戴，无线，多参数病人监护仪参考设计”PDF）

原始数据可用于计算标准临床指标：心率，血液中的氧浓度（SpO 2），脉搏传导时间（PTT）和ECG。两个板载发光二极管（LED）指示用户的低电池检测和ECG导联检测。

虽然这种设计使用可更换电池，但低功耗仍然是首要任务。例如，CC2640R2F MCU在有功和低功耗模式下都具有低电流消耗。它包括一个传感器控制器，能够在芯片的其余部分处于睡眠模式时自动收集模拟和数字数据。完整的参考设计可以从一个CR3032纽扣电池运行30天。

在努力降低功耗的同时，不断推动改善充电系统的性能以最大化电池充电并最小化停止服务的时间。

德州仪器（TI）开发了多种参考设计，以帮助工程师为消费产品开发超低功耗电池充电电路。许多设计技术直接适用于具有同等要求的医疗可穿戴设备。 

例如，无线耳塞通过手提箱内的电池充电。充电器必须具有高效率和小尺寸。图4显示了无线耳塞电池充电系统的超低待机功耗参考设计。该设计可提供高达1.5 A的快速充电，充电精度为1 mA。

用于无线耳塞的电池充电系统依赖于USB电源。（来源：TI设计：TIDA-050007“用于无线耳塞式电池充电器的超低待机功耗参考设计PDF）