意法半導體產(chǎn)品市場經(jīng)理Luca Gubellini

互聯(lián)醫(yī)療正在從概念變?yōu)楝F(xiàn)實，這場數(shù)字醫(yī)療變革的核心，不僅僅是算法、網(wǎng)絡(luò)或云計算平臺，還有傳感器。佩戴在皮膚上的醫(yī)用貼片和植入體內(nèi)的醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備將生理信號轉(zhuǎn)化為電信號數(shù)據(jù)流，供主控制器采集、解讀和處理。這些設(shè)備為工程師帶來了電子設(shè)計中存在的幾乎所有挑戰(zhàn)：超低功耗傳感器、惡劣的工作環(huán)境、嚴格的法律法規(guī)、小尺寸、嚴苛的安全要求，以及日益提高的設(shè)備端智能需求。

現(xiàn)代醫(yī)用貼片是一種粘貼在人體皮膚上的輕薄、柔性的醫(yī)療設(shè)備，通常是一次性用。貼片雖然看起來很簡單，但集成了復雜的傳感鏈，包括體表電極或光電二極管、基板內(nèi)嵌入的MEMS慣性傳感器、模擬前端（AFE）、微控制器、存儲器和無線收發(fā)器。

典型應用包括檢測心律失常的長期心電圖（ECG）監(jiān)測；術(shù)后及出院后的生命體征監(jiān)測；持續(xù)或間歇性血糖和代謝監(jiān)測；活動和姿勢追蹤；老年或體弱患者的跌倒檢測等。這些應用必須遵守嚴格的設(shè)計要求：第一個要求是超低功耗，確保設(shè)備在小容量電池供電的條件下能夠自主運行數(shù)天至數(shù)周；第二個要求是嚴格的尺寸限制，貼片的厚度必須是毫米級，采用撓性基板和柔性連接；第三個要求是信號質(zhì)量，因為必須采集微伏級生物電位和低幅度光學信號，而且工作環(huán)境存在運動、汗水、皮膚阻抗變化和環(huán)境噪聲，所以對信號質(zhì)量要求極高；最后一個要求是成本控制和可制造性，因為許多貼片只能用一次或限用幾次，所以需要優(yōu)化成本和高集成度設(shè)計。在這種背景下，傳感器是貼片差異化的關(guān)鍵因素。傳感器決定了貼片可測量的生理變量、準確度和分辨率，以及測量的實際環(huán)境條件。

體表電極生物電位傳感器是許多心臟貼片的基礎(chǔ)組件。這類傳感器采集10至1000微伏（μV）的心電圖（ECG）信號，要求模擬前端（AFE）必須具備低噪聲、高輸入阻抗和出色的共模抑制能力。信號鏈通常包括差分儀表放大器，以及高低通濾波器，用于抑制基線漂移和高頻噪聲。工程挑戰(zhàn)在于盡可能降低功耗，保證患者佩戴舒適度，同時最大限度地提高信噪比。此外，電極材料、貼片形狀、電纜或走線布局，以及貼片的機械設(shè)計，包括如何貼合身體并在運動過程中保持持續(xù)接觸，這些選擇與芯片選型同樣重要。

運動傳感器，特別是MEMS加速度計和陀螺儀，是現(xiàn)代醫(yī)用貼片的核心組件。三軸加速度計現(xiàn)在已是標配，在某些應用中，還會使用包含加速度計和陀螺儀的完整六軸慣性測量單元（IMU）。這些慣性傳感器發(fā)揮著兩個主要作用。

第一個作用是臨床特征提取。傳感器能夠量化患者的活動量，給姿勢分類（例如，站立、坐著、仰臥或側(cè)臥），表征步態(tài)模式，檢測并表征跌倒，以及量化運動障礙中的震顫幅度和頻率。運動數(shù)據(jù)用于生成量化測量結(jié)果，例如，步數(shù)、步頻、步態(tài)對稱性、坐站轉(zhuǎn)換、各種姿勢保持時間，以及整體移動模式。這些測量值在心臟病學、神經(jīng)病學、康復醫(yī)學和老年病學中具有直接的臨床意義。

第二個作用是偽影抑制和其它生理信號的語境化。運動是心電圖（ECG）、光電容積脈搏波（PPG）和呼吸測量中的主要噪聲源。加速度計數(shù)據(jù)為判定身體運動真實情況，從真實生理變化中辨別運動偽影，提供了一個獨立的參考信號。算法將心電圖中的尖峰或基線偏移與同步的加速度峰值關(guān)聯(lián)，將其歸入運動引起的心電異常。加速度計和陀螺儀信號用于校正或丟棄受損的PPG片段。在呼吸監(jiān)測中，慣性信號有助于區(qū)分與呼吸相關(guān)的胸部運動和姿勢的大幅變化。

從設(shè)計角度來看，運動傳感器也是優(yōu)化功耗的關(guān)鍵組件。對于數(shù)天或數(shù)周的使用場景，工程師必須調(diào)整占空比、采樣率和數(shù)字濾波，才能控制用電量。許多醫(yī)用貼片將加速度計設(shè)為超低功耗模式運行，輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)為適中，例如，12.5至25Hz，對用戶的活動和姿勢進行連續(xù)監(jiān)測。僅在必要時，例如，疑似用戶跌倒、心律失常事件或用戶觸發(fā)的情境，系統(tǒng)才會切換到更高的采樣速率?，F(xiàn)代MEMS加速度計通常集成嵌入式功能，例如，運動喚醒中斷、方向改變檢測、步數(shù)統(tǒng)計和FIFO緩沖。這些功能可以延長微控制器的深度睡眠時間，僅在出現(xiàn)有意義的運動模式時才喚醒，從而延長電池續(xù)航時間。對于醫(yī)療應用，加速度計必須降低噪聲密度，才能解析細微運動的數(shù)據(jù)，偏移和靈敏度在工作溫度范圍內(nèi)和老化過程中保持穩(wěn)定，具備穩(wěn)健的抗機械沖擊能力，并具備自檢機制，以便系統(tǒng)能夠檢測到潛在的傳感器故障。

與貼片相比，植入式醫(yī)療設(shè)備在截然不同的設(shè)計空間中運行，工作環(huán)境條件更好，工作溫度相對穩(wěn)定，沒有大規(guī)模的身體運動。然而，它們必須在離子流體中可靠地工作多年，承受持續(xù)的機械負載和循環(huán)應力，大多數(shù)情況下無法進行常規(guī)維護或更換電池。主要的植入物種類包括心臟設(shè)備（如起搏器、植入式心律轉(zhuǎn)復除顫器和心臟再同步化設(shè)備）、用于長期節(jié)律監(jiān)測的植入式循環(huán)記錄儀，以及用于深部腦刺激、脊髓刺激或迷走神經(jīng)刺激的神經(jīng)刺激器。在所有類別中，傳感器決定了系統(tǒng)的臨床價值。如果傳感失敗、飽和、過度漂移或變得不可靠，治療將變得無效或不安全。

心內(nèi)和血管內(nèi)檢查是許多心臟植入物的核心功能。與體表心電圖（ECG）不同，心內(nèi)電圖更大更全，保真度更高，能夠精確檢測和鑒別心律失常。除了測量電信號外，電極之間的阻抗測量還被用作間接傳感器，在心力衰竭護理過程中，用于檢測胸腔積液狀態(tài)，還能用于檢測導線完整性和呼吸頻率。從硬件角度來看，保護結(jié)構(gòu)、快速瞬變恢復、穩(wěn)健的靜電放電（ESD）保護和防電磁干擾（EMI）設(shè)計，以及在腐蝕性環(huán)境中長期工作的穩(wěn)定性，是決定半導體技術(shù)和封裝策略的關(guān)鍵要素。

運動傳感器在植入物中發(fā)揮著重要作用。MEMS加速度計是速率響應起搏器的標配，用于評估患者的活動量，為調(diào)節(jié)起搏器的速率提供數(shù)據(jù)支持。在神經(jīng)刺激器和脊髓刺激器中，加速度計可以檢測患者的姿勢和運動，讓刺激器能夠根據(jù)患者的姿勢和運動，例如，站立、坐著、行走、躺臥，自動選擇刺激程序，提高舒適度和療效。這類應用對傳感器的要求非常嚴格，傳感器必須僅靠一塊電池就能連續(xù)工作五到十年，甚至更久，且電流消耗極低，在遭遇摔落、墜落等機械撞擊時，穩(wěn)健性符合設(shè)計預期，靈敏度和偏移必須長期保持穩(wěn)定，并最大限度地降低機械或封裝故障風險。

意法半導體最近推出了MIS2DU12加速度計，為電池供電和空間受限的設(shè)備帶來三大核心優(yōu)勢。首先，能效極高，即使在正常運行期間耗電量也極小，這個特性可以延長貼片和植入式設(shè)備的續(xù)航時間。其次，內(nèi)置的抗混疊濾波器可以消除多余的振動和噪聲，因此，運動數(shù)據(jù)更純凈，運算量更少，從而節(jié)省時間和電能。最后，MIS2DU12采用尺寸非常緊湊的封裝，是目前市面上尺寸和功耗都較小的運動傳感器，方便工程師在越來越小、越來越薄的產(chǎn)品內(nèi)集成先進的傳感器。

展望未來，醫(yī)用貼片和植入物的發(fā)展方向是更智能的傳感器和系統(tǒng)。在未來十年中，多模貼片很可能在一個超薄設(shè)備內(nèi)整合心電圖、PPG光電容積脈搏波、運動傳感器、溫度傳感器和生化傳感器，其中運動傳感器將作為抑制環(huán)境噪聲和偽影的核心器件。

人工智能（AI）感測系統(tǒng)不僅能夠?qū)?shù)據(jù)進行過濾分類，還可以協(xié)調(diào)測量的時間、地點和方式，用最小的能耗獲取最大的信息量。這些系統(tǒng)將利用運動信息來觸發(fā)高分辨率采集過程或切換模式。在任何情況下，設(shè)計初心都是一樣的：可以測量什么？準確度如何？對于醫(yī)療設(shè)備工程師來說，這是核心問題。選擇、設(shè)計和集成傳感器，特別是那些提供場景感知、穩(wěn)健性和安全性的運動傳感器，依然是決定一個設(shè)備是改善患者預后還是僅收集數(shù)據(jù)的要素。