Thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh có thể đeo là giải pháp tiện ích tiên tiến 

Với sự phổ biến ngày càng tăng của việc theo dõi sức khỏe được kết nối, thị trường thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh có thể đeo trên tay đang có sự tăng trưởng ổn định. Một cuộc khảo sát của Counterpoint Research tiết lộ rằng đại dịch đã nâng cao nhận thức về sức khỏe của người tiêu dùng, do đó, họ đã nâng cao mức độ phổ biến của các thiết bị đeo thông minh cho chăm sóc sức khỏe.

Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu những hiểu biết sâu sắc của ông Feng Gong, một chuyên gia dày dạn kinh nghiệm học thuật và thực tế sâu rộng trong lĩnh vực thiết bị đeo thông minh cho chăm sóc sức khỏe. Ông chia sẻ những nghiên cứu điển hình có giá trị từ công việc của mình.

Yêu cầu của dự án:

• Thiết bị đeo nhỏ gọn có các bộ phận đóng gói nhỏ, tích hợp cao.
• Tiêu thụ điện năng cực thấp, sử dụng pin sạc.
• Theo dõi nhịp tim liên tục.
• Theo dõi liên tục độ bão hòa oxy trong máu.
• Tính năng đếm bước giúp lưu giữ dữ liệu trong hơn một tháng mà không bị mất dữ liệu khi mất điện.

Giải pháp theo dõi nhịp tim

Nhịp tim có thể được theo dõi thông qua việc phát hiện các tín hiệu điện tâm đồ, được điều chỉnh bằng nhịp đập của tín hiệu điện sinh học tim của con người. Việc thu thập các tín hiệu này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tính toán nhịp tim. Giám sát điện tâm đồ, ghi lại điện thế từ nhiều điểm trên cơ thể, có thể tốn nhiều phần cứng và tốn kém. Thay vào đó, phát hiện cộng hưởng sử dụng các cảm biến để phát hiện những thay đổi về huyết áp động mạch để tính toán nhịp tim. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu đặt trên các điểm xung có thể sờ thấy được, đây là yêu cầu đặt ra thách thức cho thiết bị đeo trên người khi sử dụng.

Photoplethysmography (PPG) là một thiết bị kỹ thuật quang học đơn giản sử dụng nguồn sáng và bộ tách sóng quang trên bề mặt da để đo sự thay đổi thể tích trong tuần hoàn máu. Nó theo dõi những thay đổi nhỏ về cường độ ánh sáng truyền qua hoặc phản xạ từ mô. Những thay đổi cường độ này có liên quan đến sự thay đổi lưu lượng máu qua mô và cung cấp thông tin quan trọng về tim mạch. Sử dụng đèn LED màu xanh lá cây và điốt quang, thiết bị có thể phát hiện lưu lượng máu ở bất kỳ vị trí nào trên da. Bằng cách xác định lượng máu đạt đỉnh theo chu kỳ, và nhịp tim sẽ được xác định. Điều này có thể được thiết kế thuận tiện thành một thiết bị đeo ở cổ tay.

Giải pháp PPG cần các bộ phận để điều khiển nguồn sáng, chuyển đổi quang điện và xử lý dữ liệu. Thông thường, nguồn dòng không đổi được sử dụng để truyền động nhẹ; một photodiode kết hợp với bộ khuếch đại hoạt động để chuyển đổi; và chip A/D để chuyển đổi kỹ thuật số, được xử lý bởi bộ vi điều khiển (MCU). Việc sử dụng các thành phần riêng biệt sẽ làm tăng số lượng chip và yêu cầu về không gian, khiến các thiết bị tích hợp được ưa chuộng hơn. Analog Devices Inc. (ADI) cung cấp giải pháp ADPD105, một chip trắc quang đa chức năng với AFE, ADC, trình điều khiển LED và lõi định thời tích hợp, cung cấp khả năng loại bỏ ánh sáng xung quanh đặc biệt mà không cần bộ lọc điốt quang.

Các tính năng chính:

• Giao diện kỹ thuật số linh hoạt – SPI và I2C.
• Tiêu thụ điện năng thấp với nguồn điện 1,8 V.
• Dòng điện ở chế độ chờ thấp tới 0,3μA, lý tưởng cho các thiết bị chạy bằng pin.
• Tốc độ lấy mẫu linh hoạt từ 0,122 Hz đến 3820 Hz.
• Hỗ trợ ba nguồn dòng LED không đổi, mỗi nguồn có dòng điện cực đại lên tới 370mA.
• Có sẵn trong gói WLCSP, lý tưởng cho các ứng dụng có không gian hạn chế.

Hình 1: Sơ đồ khối cho phiên bản ADPD105 LFCSP

Giải pháp theo dõi độ bão hòa oxy trong máu:

Công nghệ PPG không chỉ hỗ trợ theo dõi nhịp tim mà còn cung cấp phương pháp đo độ bão hòa oxy trong máu hiệu quả mà không xâm lấn. Bằng cách áp dụng các thuật toán cụ thể, PPG có thể xác định nồng độ oxy dựa trên tốc độ hấp thụ ánh sáng khác nhau của oxyhaemoglobin (HbO2) và hemoglobin (Hb). Phương pháp này sử dụng bước sóng kép: ánh sáng đỏ (600 đến 800 nm) được hấp thụ chủ yếu bởi hemoglobin khử oxy và ánh sáng cận hồng ngoại (IR) (800 đến 1000 nm), oxyhaemoglobin hấp thụ hiệu quả hơn. Bằng cách phân tích các kiểu hấp thụ này, thiết bị sẽ tính toán độ bão hòa oxy trong máu một cách chính xác.

Việc tích hợp một bộ thu quang duy nhất để theo dõi nhịp tim và lượng oxy trong máu bằng cách sử dụng phương pháp ghép kênh phân chia thời gian giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị. Thiết lập này giảm thiểu số lượng thành phần và giảm chi phí trong khi vẫn duy trì khả năng giám sát hiệu quả. ADPD410X cải tiến giải pháp này với 8 trình điều khiển LED và 8 kênh thu thập dữ liệu, cho phép tích hợp cao hơn và lấy mẫu chính xác hơn. Nó hỗ trợ các phép đo toàn diện cho PPG, ECG và EDA, khiến nó trở thành một lựa chọn mạnh mẽ để theo dõi sức khỏe nâng cao trong các thiết bị đeo.

Giải pháp chức năng đếm bước

Gia tốc kế ba trục là thành phần được ưu tiên trong các giải pháp đếm bước nhờ khả năng xử lý theo thuật toán dữ liệu động ba trục được thu thập trong quá trình đi bộ, từ đó cho phép chức năng đếm bước chính xác. Vì thiết kế hướng đến các thiết bị đeo được nên cả mức tiêu thụ điện năng và kích thước nhỏ gọn của chip đều là những yếu tố quan trọng.

ADXL363 là tổ hợp ba cảm biến, công suất cực thấp bao gồm gia tốc kế MEMS 3 trục, cảm biến nhiệt độ và đầu vào bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) trên bo mạch để chuyển đổi đồng bộ tín hiệu bên ngoài. Toàn bộ hệ thống tiêu thụ ít hơn 2 μA ở tốc độ dữ liệu đầu ra 100 Hz và 270 nA khi chuyển động kích hoạt chế độ đánh thức. Hoạt động trên phạm vi cung cấp điện áp rộng từ 1,6 V đến 3,5 V, ADXL363 cũng có thể giao tiếp với máy chủ hoạt động ở điện áp khác, thấp hơn nếu cần. Ngoài ra, nó còn cung cấp quyền truy cập vào bên trong ADC để chuyển đổi đồng bộ các đầu vào tương tự khác. Gói LGA nhỏ gọn khiến nó đặc biệt phù hợp để tích hợp vào các thiết bị đeo được.

Hình 2: Sơ đồ khối chức năng của ADXL363

Lựa chọn các bộ vi điều khiển (MCU)

Một yếu tố quan trọng cần cân nhắc đối với MCU là khả năng cung cấp cả hiệu suất cao và mức tiêu thụ điện năng thấp. ADI ADuCM3029 là MCU tiêu thụ điện năng cực thấp có các tính năng sau:

• Dòng điện động ở chế độ hoạt động: 30μA/MHz (điển hình)
• Chế độ ngủ (có lưu giữ SRAM): 750nA (điển hình)
• Chế độ tắt máy (với RTC tùy chọn đang chạy): 60nA (điển hình)
• Bộ xử lý ARM® Cortex®-M3 có MPU
• 256 KB flash nhúng với ECC, thuận tiện cho việc lưu trữ dữ liệu ngoại tuyến
• Nguồn điện áp thấp (1,74V đến 3,6V), cho phép sử dụng pin dạng đồng xu
• Bộ thiết bị ngoại vi trên chip toàn diện —SPI, UART, IIC, Hẹn giờ, DAC, DMA, Cơ quan giám sát
• Tích hợp bộ tạo dao động 32kHz và bộ tạo dao động tần số cao 26 MHz
• GPIO có thể lập trình (44 trong LFCSP và 34 trong WLCSP)

Ngoài ra, ADuCM4050 hiệu suất cao có thể được sử dụng như một tùy chọn nâng cấp để có hiệu suất vượt trội và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn ở chế độ ngủ và tắt máy.

Đặc trưng:

• Dòng điện động ở chế độ hoạt động: 41 μA/MHz (điển hình)
• Chế độ ngủ đông: 0,65 μA (điển hình)
• Chế độ tắt máy: 50 nA (điển hình)
• Bộ xử lý ARM Cortex-M4F tốc độ 52 MHz với FPU, MPU, ITM với giao diện SWD
• Đã nâng cấp lên 512KB đèn flash nhúng được bảo vệ bởi ECC

Giải pháp cung cấp điện

Các thiết bị đeo thường sử dụng pin lithium, do đó cần có chip quản lý pin lithium. LTC4065L là bộ sạc tuyến tính có dòng điện không đổi/điện áp không đổi hoàn chỉnh dành cho pin lithium một cell. Kích thước nhỏ gọn của nó (gói DFN 2mm*2mm) cho phép điều chỉnh chính xác dòng sạc thấp, khiến nó đặc biệt phù hợp với pin lithium dung lượng thấp. Nó cũng có thể hoạt động bằng cách lấy nguồn từ nguồn USB tiêu chuẩn. Ngoài ra, nó còn có các khả năng bảo vệ mạnh mẽ khi sạc bất thường: tự động sạc lại, điều chỉnh mức pin yếu (sạc nhỏ giọt) và chức năng khởi động mềm (dùng để hạn chế dòng điện khởi động).

Trong giải pháp MCU gia tốc kế và chip ngoại vi tương tự đều hoạt động trong phạm vi 1,8V. Tuy nhiên, để giảm mức điện áp 3,7V của pin lithium, cần có LDO có độ ồn thấp do có các mạch tương tự. LT3042 có độ ồn cực thấp ở 0,8µVRMS (10 Hz100 kHz), tỷ lệ loại bỏ nguồn điện cực cao (PSRR) (lên đến 79 dB ở 1 MHz), điện áp rơi rất thấp (350mV), đầu ra có thể điều chỉnh (015V) và gói DFN nhỏ gọn (3mm*3mm).

Cách tiếp cận toàn diện này để thiết kế các thiết bị chăm sóc sức khỏe có thể đeo thông minh đảm bảo cả chức năng và hiệu quả, thích ứng với nhu cầu theo dõi chăm sóc sức khỏe hiện đại ngày nay.