ecg传感器:《Apple Watch 4中的PPG和ECG健康监测传感器》

2021/11/01 21:45 · 传感器知识资讯 ·  · ecg传感器:《Apple Watch 4中的PPG和ECG健康监测传感器》已关闭评论
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ecg传感器:《AppleWatch4中的PPG和ECG健康监测传感器》原标题:《AppleWatch4中的PPG和ECG健康监测传感器》AppleWatchSeries4’sPPGandECGHealthSensors——逆向分析报告购买该报告请联系:麦

ecg传感器:《Apple Watch 4中的PPG和ECG健康监测传感器》  第1张

ecg传感器:《Apple Watch 4中的PPG和ECG健康监测传感器》

原标题:《Apple Watch 4中的PPG和ECG健康监测传感器》

Apple Watch Series 4’s PPG and ECG Health Sensors

——逆向分析报告

购买该报告请联系:

麦姆斯咨询 王懿

电话:

电子邮箱:wangyi#memsconsulting.com(#换成@)

首款获得FDA认证并在消费类市场中出货数百万只的智能手表

据麦姆斯咨询介绍,苹果公司在2018年9月发布了Apple Watch Series 4,该款智能手表经过重新设计和打造,旨在帮助用户保持更紧密的联系,更加充满活力,并以强有力的新方法来管理自己的健康状况。在延续以往经典设计的基础上,Apple Watch Series 4更进一步优化,将各种全新硬件和软件增强功能与外观浑然一体地融合在一起,例如全新的MEMS加速度计和陀螺仪能够检测用户是否摔倒。值得关注的是获得FDA认证的心率监测功能,除了增强型光电容积描记图(PPG),Apple Watch Series 4还在智能手表中首次使用心电图(ECG)。

Apple Watch Series 4智能手表

心脏运作可以揭露人体许多极具价值的信息,包括其健康状态、生活方式,甚至是情绪状态及心脏疾病的早期发病等。随着心跳会有一压力波通过血管进行传递,这个波会稍微改变血管的直径,PPG就是利用这个变化,是一种无需测量生物电信号就能获得心脏功能信息的光学技术。PPG主要用于测量血氧饱和度(SpO2),但也可不进行生物电信号测量就提供心脏功能信息。借助PPG技术,心率监护仪可集成到智能手表或护腕等可穿戴设备上,以达成连续监测的应用。而传统的医疗设备中,监测心跳速率和心脏活动是经由测量电生理讯号与ECG来完成的,需要将电极连接到身体来量测心脏组织中所引发电气活动的信号。

Apple Watch Series 4在PPG方面产生了新的变化:更加紧凑的设计使得表面积减少30%,零部件数量从14个减少到6个,而且增强了心率监测功能(注:欧司朗(OSRAM)提供其中的绿色LED,更多供应商情况请购买本报告)。另外,该智能手表还集成了电极式心率传感器(注:利用三个电极测量非常小的电流,ADI公司提供信号处理和放大电路),借助全新的心电图应用程序(App)可进行心电图(ECG)检查,该App已经通过了FDA的De Novo分类认定。

Apple Watch Series 4智能手表的心电图功能

有了心电图App,用户点按数码表冠,只需30秒即可收到心律类别判定的通知,以表明心脏是正常跳动,还是出现了房颤(AFib)迹象(一种可能导致严重健康问题的心脏状况)。记录的所有数据、心率类别判定结果以及症状备忘录都会以PDF格式存储在健康App中,以便用户提供给医生。

有了watchOS 5,Apple Watch Series 4可在后台定期分析心律情况。如果检测到房颤等不规则心律,它会向用户发送通知。在心率超过或低于某个临界值时,它也会提醒用户。

本报告对Apple Watch Series 4中的PPG和ECG健康监测传感器进行全面的剖析,发现其中的电子元件均是可以在市场上购买的标准件。但是,它们的集成方式和光学窗口是苹果公司独有设计的。本报告准确研究并分析了传感器的集成方式,供大家学习参考。

ECG电极及ADI芯片AD位置示意

红外LED芯片(样刊模糊化)

绿色LED芯片(样刊模糊化)

此外,本报告还分析了PPG和ECG健康监测传感器中的零部件,包括Epistar的红外LED、欧司朗的绿色LED和光电二极管、三个电极、ADI的处理和放大电路芯片等。最后,我们还给出这些零部件的成本分析。

Overview/Introduction

? Executive Summary

? Reverse Costing Methodology

Company Profile

? Apple

? Apple Watch 4

? OSRAM

? Analog Devices

Physical Analysis

? Summary of the Physical Analysis

? Apple Watch 4 Teardown

? ECG Module Assembly

- Module views

- Electrodes

? ECG Analog Front End

- IC die view and dimensions

- IC delayering and main blocks

- IC die process, cross-section

- IC die process characteristic

? PPM Module Assembly

- Module views and cross-sections

? PPG IR LED

- Die overview and dimensions

- Die process and cross-section and process characteristics

? PPG Green LED

? PPG Photodiode

- Die view and dimensions, process and cross-section

- Die process characteristic

? Comparison of PPG Function between Apple Watch 3 and 4

Manufacturing Process

? Analog Front End Component

? IR and Green LED

? Photodiodes

? Sapphire Window

Cost Analysis

? Yield Hypothesis

? ECG Sensor IC

? Sensor Component Cost

? PPG IR LED Component Cost

? PPG Green LED Component cost

? PPG Photodiode Component cost

? Sapphire Window Cost

若需要《Apple Watch 4中的PPG和ECG健康监测传感器》报告样刊,请发E-mail:wangyi#memsconsulting.com(#换成@)。返回搜狐,查看更多

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ecg传感器:《Apple Watch 4中的PPG和ECG健康监测传感器》  第2张

ecg传感器:为新中国持续发电 !世界上第一台双水内冷发电机来自浙大

9月26日下午,OPPO通过网络直播举办了未来玩机发布会,主要发布了OPPO智能电视K9、OPPO Watch Free、OPPO Watch 2 ECG版以及全新轻旗舰OPPO K9 Pro这四款新品。而笔者对其中的OPPO Watch 2 ECG版可以说是比较满意的,特别是新增的ECG传感器,我们可以一起来看看。
对OPPO有了解过的应该清楚,OPPO Watch 2也刚刚发布不久,光其强大的健康监测与运动记录就收到了众多用户的一致好评。而本次的OPPO Watch 2 ECG版与其他产品最大的不同就是搭载了ECG传感器,能够对用户进行便捷的毫秒级心电图测试,测试完成后提供分析报告与一对一专家解读,帮助用户及时发现房颤等常见心律失常问题,全方位全天候地守护用户的健康。
与此同时,OPPO Watch 2 ECG版新增了健康精灵,通过独家卡通精灵形象展示用户健康状态。例如,当用户长时间工作、学习时,健康精灵会发出久坐提醒;针对每天的运动目标,精灵也会适时鼓励你完成目标。其还有多种互动玩法,带来温暖贴心的健康陪伴。OPPO Watch 2 ECG版还拥有IoT智能联动扩张功能,能够与天猫精灵APP适配,支持近1000品牌智能家居联动。
在运动方面,OPPO Watch 2 ECG版具备专业运动管理功能,先测再练更有效。依托于体总体科所合作GoMore提供专业 Al 运动算法的支持,在用户运动前先进行测试,再根据模型算法,生成个性化的运动方案。OPPO Watch 2 ECG版还可以自动识别跑步、健走、骑行、游泳、椭圆机、划船机6种运动模式,并提示用户做记录。支持对羽毛球、网球、瑜伽等100+运动主动监测,可以自定义添加心率、配速等数据记录。
总体来看,OPPO Watch 2 ECG版在功能的完善上是相当不错的,特别对于用户心率的监测系统更为专业权威了,用户的健康得到了进一步的保障。
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ecg传感器:可穿戴设备中最昂贵的PPG/ECG生物传感器电路如何设计?

原标题:可穿戴设备中最昂贵的PPG/ECG生物传感器电路如何设计?

来源:AIOT大数据

消费者需要从智能手表、健康腕带和其他电池供电的移动设备,获取更精确的健身和心脏健康数据。为了满足这些期望,开发人员不得不努力应对复杂而又昂贵的多元件解决方案。虽然这些解决方案最终能够提供高精确度,但为此付出的代价是更高的功耗、更大的占用空间、更长的开发时间。我们需要更简单、更精巧的解决方案。

本文将介绍基于 Maxim Integrated 的高度集成模块来构建此类解决方案的途径。首先,本文将简要讨论精确心脏功能监测的相关难点。然后,本文将展示开发人员如何能够使用该模块,在活动期间执行符合 FDA 认证的心率监测,以及在静息时执行心电图 (ECG) 测量。

心脏功能测量

医疗机构通常依赖于 ECG(也称为 EKG)来提供有关心脏健康的最详细数据,这个过程中没有侵入性治疗。ECG 设备可捕捉心动周期内的心肌去极化和复极化产生的波形(图 1)。这个过程需要在人体周围的重要位置放置 10 个电极。然后,它们组合形成 12 对或导联,设计成与在心脏组织体积上产生的不同波形图轴对齐。

图 1:虽然心电图(ECG 或 EKG)提供更多细节,但更为简单的光电容积描记图 (PPG) 也可提供有用的信息,例如此处所示的心室早发性收缩 (PVC) 的发生。

例如,一个放置在患者腿部的电极可与另一个电极配对,以提供一个导联,能够采集心室去极化波形下降穿过心脏组织的详细信息。医疗级 12 导联 ECG 设备使用这种方法,结合来自不同电极对的数据,沿着与心动周期的每个相位相关的最佳轴来测量波形。

相反,消费型健身器材执行的 ECG 测量通常仅使用一个电极对,因而此类设备的心电图被称为单导联 ECG。虽然单导联 ECG 可能缺少心脏病医师进行诊断所需的详细信息,但它提供了有关心脏功能的足够信息,以提醒医疗机构可能需要使用 12 导联 ECG 进行准确诊断的病理。

在实践中,由于测量很容易被用户的剧烈运动破坏,因而健身器材中的单导联 ECG 测量尤其可能出现问题。任何肌肉运动都会产生肌肉纤维去极化的相应电波形,这些波形穿过导电的组织块传播。大肌肉群的运动可能产生生物电位,很容易阻碍从更深埋的信号源(例如心肌)发出的信号。因此,要进行精确的 ECG 测量,就要求患者保持静止,无论是躺在医院里,还是在体育锻炼期间。

事实上,尝试对正在进行体育运动的用户执行单导联 ECG 测量,很可能会以失败告终。出于这个原因,在体育运动过程中提供心率数据的个人健身器材通常依赖于光电容积描记图 (PPG) 方法。

PPG 的最基本工作方式是使用光学传感器,随着每次血液脉动改变血管的容积,测量光反射(或吸收)的相对差。最早的消费型心率监测仪使用这种基本方法,但现在的健身产品通常采用一种更加先进的 PPG,用于测量周边血氧饱和度 (SpO2) 水平。这样可让用户更深入了解他们对运动的生理反应。

SpO2 测量充分利用在红光和红外线 LED 照射时充氧血和缺氧血展现的不同吸收光谱,发射光谱以两种相应的血红蛋白状态为中心(请参见“为健身器材添加心率监测功能”)。虽然 SpO2 的重点是两种状态之间的比率,但可以通过测量光学信号的峰间周期时间,从相同的数据提取基本心率测量数据。消费型脉搏血氧计使用这种方法,提供更可靠的心率测量,而不受体育运动、用户个体差异或其他因素的影响。

虽然基于光学 PPG 的方法已经在健身器材中使用多年,但单导联 ECG 技术近期已经在苹果手表等消费型产品中兴起。在竞争压力的驱动下,健身腕带、智能手表和其他个人电子设备的制造商越来越需要在他们的产品中同时提供 PPG 和单导联 ECG 功能。

但对于开发人员而言,仅实现其中一种功能就带来了很多困难。双 LED PPG 设计要求我们能够最好地驱动红光和红外线 LED、捕捉反射或吸收的光线、同步结果,最终计算心率和 SpO2。单导联 ECG 设计需要掌握有关构建模拟信号路径的广泛专业知识,能够处理与任何活动生物电位现象测量相关的噪声信号。

也许最基本的问题是实现两种类型设计和同步它们的结果所必需的电源要求、设计尺寸和零件数量,对于大多数电池供电的移动产品而言,这是一项非常困难的设计工作。为了解决这些问题,Maxim Integrated 的 MAX 生物传感器模块提供了几乎直接置入的解决方案,可为任何功率受限的设计添加 PPG 和 ECG 功能。

生物传感器模块

MAX 模块专门针对便携式系统而设计,将双 LED PPG 和 ECG 的子系统组合在单个器件中,外形尺寸为 3.3 x 6.6 x 1.3 mm。对于光学测量,MAX 将完整的输入/输出光信号路径与红光 LED、红外线 LED 和光电二极管组合在一起,它们位于封装中内置的玻璃盖后面(图 2)。

图 2:MAX PPG 子系统将所有必需元器件集成在一起,包括 LED 输出和光电二极管输入的信号路径,从而提供基于光学技术的健身测量。此外,红光 LED、红外线 LED 和光电二极管器件位于玻璃盖后面。

在 PPG 信号路径方面,该模块集成了环境光消除(ALC) 电路、19 位连续时间过采样三角积分 (ΔΣ) 模数转换器 (ADC) 以及离散时间滤波器(进一步消除噪声)。在 ALC 内部,数模转换器 (DAC) 通过消除环境光,帮助提高输入动态范围。为了帮助开发人员平衡功耗和性能,该器件的集成式 LED 驱动器可以进行编程,提供从 0 毫安 (mA) 到 100 毫安的电流,电流脉冲宽度在 50 微秒 (μs) 到 400 微秒范围内。

为了进一步节省电能,开发人员可以实现接近感应功能,让该器件在测量之间保持在低功耗状态下。在这种状态下,器件在开发人员编程设定的最低功耗水平下驱动红外线 LED。当光电二极管检测到有用的信号时(表示靠近用户的手指或其他皮肤表面),将会生成中断,器件返回到正常工作状态,继续进行采样。

为了进行 ECG 测量,MAX 集成了一个完整的差分信号路径,仅需两个干电极和其他几个元器件,即可实现单导联 ECG(图 3)。与任何小信号应用相同,环境中存在的任何数量的噪声源,都会持续向测量精度提出挑战。在健身应用中,相关心脏波形不仅受到与肌肉运动和其他生理过程相关的生物电位的影响,通常还受制于来自外部射频源、线路频率和电气噪声的干扰。

MAX ECG 子系统通过用于抑制共模信号的复杂信号链,来处理 ECG 测量中的信号噪声。

图 3:除了 PPG 子系统之外,MAX 模块还包括完整的单导联 ECG 子系统,仅需要一对干电极和少量其他元器件,即可为微控制器提供 ECG 测量数据。

该器件的集成式 ECG 模拟前端包括斩波放大器、滤波器和可编程增益放大器 (PGA),其设计目的是最大程度提高心脏波形的信噪比。在该信号链之后,还有一个 18 位 ΔΣ ADC,可转换每个样本,并将所有结果推送到器件的共享 32 样本 FIFO,因而无需主机微控制器进行持续数据轮询。

为了进一步减少功耗和限制数据访问要求,开发人员可以调节 ECG 和 PPG 子系统的采样率,ECG 的采样率范围是从最高 3200 样本每秒 (sps) 到 200 sps,对于 PPG,最低采样率可以达到 10 sps。但是,在需要同时进行 ECG 和 PPG/SpO2 采样以及同步结果的高级应用中,开发人员也可以使用该器件。如果开发人员需要应用这种方法,使用两个子系统的不同最小采样率,则该器件只使用最新 PPG 样本加载 FIFO,在该子系统的下一个采样周期提供新的 PPG 数据。

设计实现

正如上文所述,由于 MAX 集成了 ECG 和 PPG 测量所需的核心功能,我们只需一对干电极以及少数用于解耦和缓冲的其他元器件,即可形成完整的 MAX 硬件接口。因此,开发人员可将微控制器与 MAX 以及少数外部元器件组合在一起,实现先进的生物电位测量系统(图 4)。开发人员甚至能够使用 Maxim Integrated 的 MAXEVSYS 评估系统,快速开始研究 ECG/PPG 应用,从而跳过硬件设计步骤。

图 4:开发人员能够将 Maxim Integrated 的 MAX 和主机微控制器以及少数其他元器件组合在一起,在移动健身产品中实现先进的心脏功能测量。

MAXEVSYS 评估系统可同时用作即时应用平台和参考设计,它包括 MAX 板、MAXFTHR 板和 500 毫安小时 (mAh) 锂聚合物电池(图 5)。与 MAX 相同,MAX 板提供两个不锈钢干电极,以及上文提及的其他元器件。

MAXFTHR 板通过针座连接,它提供了支持蓝牙的完整系统,基于 Maxim Integrated 的 MAX 微控制器构建,还可为附带的电池组进行充电和电源管理。

图 5:Maxim Integrated 的 MAXEVSYS 评估系统提供带有干电极的 MAX 板(左侧)、基于 MAX 的 MAXFTHR 开发板和电池组,以便开发人员能够快速开始评估心脏测量方法。

这个开箱即用的评估系统带有 MAXFTHR 板,已预装基础 MAX 应用的固件,让开发人员能够即时开始探索 ECG 和 PPG 测量。开发人员只需通过蓝牙将板组连接至 Windows PC 系统,并针对 MAXEVSYS 套件启动 Maxim Integrated 基于 Windows 的图形用户界面评估套件软件。该 GUI 软件包显示来自 MAX 的 ECG 和 PPG 数据,让开发人员能够轻松地修改器件设置,以检测对性能的影响(图 6)。

图 6:该公司的相关软件应用程序连接到 Maxim Integrated 的 MAXEVSYS 评估系统,让开发人员能够轻松地检测 MAX 执行的 ECG 和 PPG 测量。

对于准备构建定制应用程序的开发人员,Maxim Integrated 的 MAX 驱动器软件包提供了核心器件功能的源代码。在各种功能中,该驱动器软件包展示了:如何通过使用器件的 FIFO,减少主机处理器保持其活动状态所需的时间,从而最大程度地降低功耗。这种方法的核心是,软件要依赖于一对中断处理程序来响应器件事件,然后在数据样本可用时采取行动。

这种中断驱动的方法从初始化例程开始。这种方法会注册一个器件中断请求 (IRQ) 处理程序 max86xxx_irq_handler。发生中断事件时,此处理程序检查可用的器件数据,如果需要,还会调用单独的 FIFO 处理程序 (max86xxx_fifo_irq_handler),并执行重要的内务处理功能,包括检查器件芯片温度和 VDD 水平。

当由 IRQ 处理程序调用时,FIFO 处理程序执行所需的低级操作,以重新组合 存储在 FIFO 缓冲区中的传感器读数。此处,该处理程序遍历 FIFO 缓冲区中的可用样本,重新组合三个字节,这些字节用于存储来自 ECG 通道的 18 位 ADC 和 PPG 通道的 19 位 ADC 的数据。

总结

除了基于 PPG 的心率测量之外,单导联 ECG 功能已逐渐成为智能手表、健身腕带和其他移动设备的一种日益增长的需求。但事实证明,在此类可穿戴设备中实现实用、精确、低功耗的 PPG 和 ECG 功能非常困难。

Maxim Integrated 的 生物电位传感器模块带有集成的 PPG 和 ECG 子系统,可提供有效的解决方案。 模块与 MCU 相结合,使开发人员能够快速实现能够提供心脏功能详细数据的移动健康和健身产品。

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ecg传感器:可穿戴设备心率传感器技术解析

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麻省理工新科技:不开口就能说话的耳机

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纳芯微为满足物联网应用而推出NSA(C)2862...

纳芯微电子NSA(C)2862低功耗型传感器信号调理芯片正是为满足物联网应用而推出的。该产品在工业压...

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随着近几年全球汽车电子市场规模以每年15%-20%的速度增长,车用传感器的数量也在不断增加。其中增长...

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为了应对物联网威胁,全球物联网安全支出高达15亿...

Gartner研究总监Ruggero Contu表示,在物联网项目中,企业机构通常无法掌控被智能联网...

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最灵巧机器人Dex-Net 物品分拣远超人类水平

加州大学伯克利分校的研究人员最近研发了一款新的机器人,由一个高分辨率3D传感器和两个高度灵活的机械臂...

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Autopilot究竟存在哪些技术局限性

为什么声称“全系在产车辆都将能够完全 自动驾驶 ”的特斯拉,却连几百米开外可见的障碍物都躲不开呢?我...

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日本Skeletonics外骨骼套装开售 穿上就...

近日,日本外骨骼制作公司Skeletonics发布了一款正式销售的外骨骼机型Skeletonics ...

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让智能家居与智能社会更有实际意思的落地应用

由于传感器和芯片技术的的发展,再加之移动互联网也在快速普及且愈发成熟,目前用户对智能家居的需求不断被...

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核电机组分体式 K1 差压变送器现场充液技术分析

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触觉手套:介绍几种具有代表性的VR手套

对于看了玩家一号的同学,是否已经摩拳擦掌的在等待现实中出现类似的游戏了呢?不过要实现玩家一号的AR、...

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西安大学在柔性可穿戴设备研究领域更进一步

近日,西安交通大学贾春林科学家工作室,采用化学刻蚀的自组装1-3型纳米复合薄膜的方法,在柔性的云母衬...

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有了口罩净化器再也不用在北京吃免费雾霾

2017年5月4日,在北京生活的小伙伴绝对不会忘记的好日子,这一天我们都吃了免费的套餐,这样的日子随...

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厦门无线产品巨头新页科技怎么样

厦门新页科技有限公司,成立于2014年10月,注册资金2000万人民币,公司拥有多名来自海内外的教授...

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北斗导航关键技术及应用

实现基于北斗卫星导航系统的安全定位,需要保证卫星定位的精确度、连续性和完好性,能够持续获取准确的位置...

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智能牙刷 开启口腔护理新时代

摘要调研显示,5岁儿童乳牙患龋齿率高达66%,中国家长护牙理念落后。sidda是一家专注于儿童智能牙...

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华米黄汪:华米可穿戴设备了解一下?

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LG与三星都是生产OLED屏幕的大品牌,但LG用在Pixel 2 XL上的OLED屏似乎比LG自己的...

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华米科技在美国纽约证券交易所成功上市,股票代码为HMI,发行价为11美元,截止收盘,华米科技股价上涨...

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