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              醫療健康芯片本土化設計突破,ADI用高精度重新定義可穿戴

              2022-04-23 15:15 來源:動脈網 作者:

              可穿戴健康設備在近年來得到了高度關注。其突破了院內院外的空間掣肘,可以實現實時連續的數據采集監測,并在臨床中得到充分驗證。不過,仍然有不少人對可穿戴設備的可靠性存有疑慮。


              相比傳統院內大型設備檢測,可穿戴健康設備的工作環境具有更多不確定性,面臨更大的挑戰。同時,為了滿足可穿戴設備對便攜性和功耗等指標的苛刻要求,可穿戴設備的部件往往需要在性能和指標上做出犧牲。如何滿足這兩種彼此對立的需求,有賴于核心技術的進步。


              不久前,半導體巨頭亞德諾(ADI)推出了全新的多模式生命體征監測傳感器前端解決方案ADPD6000系列芯片,宣布將以高精度數據來改寫可穿戴行業。更為值得一提的是,這也是首款完全由ADI中國本土團隊獨立定義并設計完成的可穿戴解決方案。


              可穿戴健康設備是否獲得認可,數據精準是根本


              我們正進入以數據驅動醫療健康的時代,作為主要數據接口之一的可穿戴設備正越來越受到重視??梢赃@么形容,醫療健康涉及的范圍有多大,可穿戴設備在其中的想象空間就有多大。不過,這一切的前提是建立在可穿戴設備需要采集到真正有用的精準數據。


              在可穿戴設備興起之初,就出現過這種情況,直接使得可穿戴設備剛剛興起的熱度幾乎腰斬。一個原因便是當時的可穿戴設備功能太過單一,只能實現步數測量等簡單功能,用戶粘性很低。同時,可穿戴設備看似收集了很多數據,但這些數據對于醫學應用來說價值不大。


              究其根源,可穿戴設備的核心技術在當時沒有重大進展是一個主要原因。盡管在遠景規劃上有著廣闊的前景,但當時的解決方案顯然還并沒有準備好,仍然需要時間。


              另外一方面,可穿戴設備采集的數據精準性也一直存在諸多不足?!安钪晾逯囈郧Ю铩薄獙τ谂R床應用來說,數據的精準度是尤為重要的。然而,測量的精準度往往也是最為困難的,受到多種因素的影響。


              多年專注可穿戴醫療健康市場的ADI中國產品事業部高級市場應用經理何源表示,提高可穿戴設備的測量精度是一件非常有挑戰性的工作:“因為可穿戴設備需要考慮外觀設計,接觸人體的面積小且位置也未必理想,材料也受限制。此外,其他因素包括用戶的膚色和毛發差異、環境是干燥還是潮濕、戶外還是室內這些都會對測量結果有影響。這些跟醫院里很穩定的環境是完全不一樣的?!?/p>


              醫療健康芯片本土化設計突破,ADI用高精度重新定義可穿戴


              ADI中國產品事業部高級市場應用經理何源


              提高測量精度說起來容易,做起來卻是另外一回事。以體溫測量為例,除了最為傳統的水銀體溫計,目前主流的測溫設備還包括接觸式電子體溫計、額溫槍和耳溫槍等。不過,不同設備之間的誤差之大,在任意產品的電商評論上就不難看出吐槽者眾。


              看似最簡單的體溫測量尚且如此,可穿戴設備要獲取準確、有效的可靠數據就更加困難了??纱┐髟O備需要在極為有限的空間內集成多種功能組件,并滿足有限電量下的使用。這對可穿戴設備的元器件設計及其測量精度、功耗及抗干擾能力等指標提出了極高的要求。


              同時,雖然可穿戴設備的便攜性為用戶帶來了方便,但對于數據測量來說不可避免會遇到環境復雜、操作不穩定、接觸不牢等種種阻礙。以心電監測為例,院內可以通過在測量時涂抹導電膏作為補償機制,但這在可穿戴設備上顯然是行不通的,只能通過硬件設計和算法予以補償。


              因此,提高可穿戴設備的測量精度,可以從硬件和軟件兩個方面入手,即數據測量的精確度以及算法的有效性。這是一個系統性的工程,需要相當的技術實力方能實現。


              多功能+高精度+廣應用,ADI可穿戴芯片這樣改變可穿戴


              何源表示,ADPD6000在產品功能和數據精度上做了諸多優化,以覆蓋更多更極端的場景。


              ADPD6000在一顆芯片上集成了PPG(光電容積脈搏波描記法)、ECG(心電圖測量)和BIA(生物電阻抗分析)三種技術,可對心率、血氧飽和度、心電圖、體脂率、基礎代謝等指標進行測量。


              醫療健康芯片本土化設計突破,ADI用高精度重新定義可穿戴


              ADI多模式生命體征監測傳感器前端解決方案ADPD6000


              在PPG所依賴的光路部分,ADPD6000具有極高的信噪比,保證了信號質量和可測覆蓋度,可以減少因為常見皮膚干擾因素導致的測量誤差。同時,它還具有環境光抑制和動態干擾抑制,可適配更多的環境和測試狀態。


              “比如,用戶膚色黑,手表戴的又很松,體毛長,還有痣或紋身。在這種極端環境下如果要準確測量心率,需要做專門的優化,”何源表示。


              ADI在院內ECG上有著深厚的積累,這次也將專業醫療級ECG設備的架構技術導入到ADPD6000,在可靠性和穩定性上達到了專業醫療要求。除此以外,針對一些極端的場景,ADPD6000也進行了相應的優化。


              比如,在干燥的冬季進行ECG測量是一項相當有挑戰性的工作。原因在于人體皮膚在干燥環境下容易產生很高的電壓偏置,這是造成可穿戴設備測量誤差的重要原因。過高的極化電壓也將導致測量信號的飽和,無法得到ECG波形圖。


              “基于這種極端場景,我們專門引入了一些創新架構,大幅提升了對靜電高壓的動態范圍。用戶直接感受就是哪怕在很干燥的環境下,之前測不出來的ECG在ADPD6000下可以很容易得到效果不錯的波形圖,”何源介紹道。


              ECG導聯脫落則是第二個極端場景。導聯脫落是指心電圖檢查的導聯線脫落或銜接不良的情況,導致不能顯示正常的心電示波。何源表示,這一現象是可穿戴ECG測量中的難點,也是行業亟待解決的痛點:“如何判斷導聯脫落?比如,手按得太松,或者皮膚和手表的某個電極接觸不良;又比如說,有的人皮膚本來就很干燥。在這個情況下,很多方案很難有效監測導聯脫落?!?/p>


              ADPD6000同樣對此有所關注,“ADI內置的硬件狀態機智能引擎,相當于在芯片里面提供了智能助手,能夠根據電極輸入的狀態值精準判斷導聯脫落。同時,它還可以根據客戶自己設計的介入狀態來自定義。這一塊上,我們做的是很有競爭力的,”何源對此很有自信。


              除了PPG和ECG,ADPD6000在BIA測試上也有自己的獨門絕技。這些獨有的專利技術可以盡可能去除復雜環境的影響,保證阻抗精度。


              “目前,為保證測量的精準度,智能手表進行BIA阻抗測試通常至少需要四個電極。其中兩個電極一般是在表殼上,與手臂接觸。另外兩個電極放到表盤旁邊,需要手指按上。不過,表盤旁邊的電極非常小,用戶的手指要想按上電極同時又不跟胳膊或者表殼接觸基本不大可能,除非讓用戶用一個極其刁鉆的姿勢碰到電極。所以,很多時候這個阻抗其實是測不準的,”何源向動脈網介紹了BIA阻抗測試的難點所在。


              何源表示,ADI在硬件級和方案級的技術與專利方面有深厚的積累,從芯片架構設計就規避了這些問題。即使用戶在測試的時候手指直接跟表殼有不同的接觸狀態,ADPD6000也同樣可以把這個誤差補償掉。


              ADPD6000還成功解決了不對稱鏈路設計誤差這一可穿戴設備的難題??紤]到可穿戴設備的外觀設計,其電極位置及大小均受到限制,只能引入不對稱鏈路設計。這也是可穿戴設備與院內設備最大的區別之一。然而,恰恰是這種不對稱鏈路設計會導致阻抗測量的精準度變差。


              “這是一個物理現象,很難去避免,”何源對此表示。相比僅在理想條件下存在的鏈路對稱環境,不對稱鏈路的測試誤差會呈現指數級擴大。要解決這一技術難點,除了具備扎實的模擬、數字電路技術,還需要對整個信號鏈架構有精準的把控。如此苛刻的要求導致能夠解決這一現象的方案十分稀缺。


              “ADI有獨特的專有技術和專利,通過硬件和算法結合的方式,把這種物理上的誤差在非對稱鏈路的情況下可以降到很低,完全能夠滿足精準測量的要求?!?/p>


              以客戶為核心快速響應,ADI中國本土化戰略已結碩果


              除了技術架構和設計上的優勢,ADI對于客戶的重視也值得一提。


              首先,ADI為客戶提供了一攬子解決方案,幫助客戶提高開發效率。除了成套的系統級評估板及手表方案可以幫助客戶進行多參數測試及研究、參考驗證外,也提供軟件開發包SDK及量產方案建議,甚至還可根據客戶需求,提供示例代碼和全天候的本地支持。


              這也就是半導體行業中常見的“Turnkey”一站式開發模式,可以降低客戶研發端的成本和復雜度,拿到方案即可直接迅速導入,大大提高了效率。


              當然,由于芯片定義及設計開發完全由國內團隊完成,對產品架構有非常深入的理解。對于有深度自主開發需求的客戶,也可以獲得所需的服務。


              同時,由于團隊設在國內,ADI還能夠提供無時差的全天候專業溝通和問題反饋跟進支持?;贏DI豐富的開發經驗,其反饋和響應速度也在行業內有目共睹:“在技術支持上,我們的專業溝通沒有什么時差,跟客戶的交流非常順暢。技術能力上自不必說,很多客戶對我們的支持服務同樣十分認可,”何源補充道。


              為客戶提供最貼近的即時服務,這也是ADI近年來強化本地戰略的一個重要原因。一方面,中國擁有全球數一數二的市場規模;另一方面,隨著近年來技術實力的飛躍,我國在很多領域已經站在了行業前列。以可穿戴市場為例,全球出貨量排名前五的可穿戴設備商,我國品牌就占據兩席。此外,更多的知名消費電子品牌也在大力拓展這一市場,且上升趨勢十分明顯。


              正因為此,ADI在2019年12月專門成立了中國產品事業部,將核心的研發力量部署到中國,針對本地市場定義開發產品,這也是眾多半導體跨國企業中極少數在中國建立獨立成本核算中心的事業部體系。2020年12月,ADI中國升級為亞德諾投資有限公司,擁有從需求調研、產品定義、研發、市場銷售與運營的全方面能力,從而能夠以本地決策和中國速度響應客戶的創新需求。


              “目前ADI中國產品事業部在國內有200余位芯片設計、系統應用研發工程師,能夠在很短的時間內高效完成需求調研、產品定義及設計開發。以ADPD6000為例,從項目決策到最終完成只用了一年多一點的時間,”何源在介紹時表示。


              如今,成立兩年多的ADI中國產品事業部已經開始兌現“在中國、為中國”的承諾,相繼推出多款根據中國市場需求,由本地團隊自主定義設計研發的產品,并已經得到頭部客戶的認可,取得了良好的經濟與社會效益?!耙钥蛻魹楹诵膱猿謩撔?高標準、高質量地完成產品”的核心價值觀也得到充分體現。


              近年來,中國科技產業飛速發展,龐大的市場需求吸引了眾多國外半導體企業在國內生根落戶。深度的本土化戰略使ADI中國能夠敏捷地響應本地市場的創新需求,更好地融入本地產業生態,為中國客戶服務。


              寫在最后


              ADI在可穿戴健康及生命體征監測領域有著深厚的系統與技術專長積累,無論通過NMPA醫療器械認證與否,市場上有相當一部分可穿戴設備都采用了ADI的方案。與以往不同的是,此次新發布的多模式生命體征監測傳感器前端解決方案ADPD6000完全由本土團隊打造,充分證明了ADI中國團隊有能力完成從產品定義到量產的整個過程,同時保持了ADI產品高性能、高可靠性的傳統優勢。


              當然,這只是一個開端。ADI中國團隊正在緊跟可穿戴趨勢,開發新的功能和算法。除了已經成熟的PPG、ECG、體脂率、基礎代謝率、體內含水量、骨骼肌等算法外,連續無袖帶式血壓監測、血糖及心理活動狀態等算法也在積極研究與評估中。毫無疑問,這也將為可穿戴的發展注入新的動力,就讓我們拭目以待。


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