消费级医疗保健可穿戴设备的发展与解决方案

现代消费级医疗保健可穿戴设备价格日益亲民，并逐渐成为主流。这些设备内置先进传感器，并采用电池供电，像是非处方（OTC）助听器和连续血糖监测仪（CGM），具备体积轻巧与低功耗，对患者的医疗与生活质量都带来极大的帮助。本文将为您简介这些消费级医疗保健可穿戴设备的发展，以及介绍由安森美（onsemi）在这些领域所推出极具竞争力的产品组合。

许多人患有轻度至中度听力损失，其原因可能是年龄、遗传因素或长期暴露于强噪声环境。听力损失会对生活质量产生负面影响，并可能导致社交孤立、抑郁和认知能力下降。非处方助听器代表着听力保健领域的一项重大变革，它为患有轻度至中度听力损失的成年人提供了一种经济实惠且易于使用的解决方案，无需处方或专业验配。它们使数百万人更容易应对那些往往多年未得到治疗的听力问题。非处方（OTC）助听器可以放大声音，改善沟通和生活质量，并有助于降低与未治疗听力损失相关的风险。虽然非处方助听器具有便利性和成本优势，但它们最适合那些能够自我管理听力需求并了解自身局限性的人士，而需专业验配的设备则无法满足这些需求。
 
非处方助听器是听力健康行业中一个快速发展的细分市场，其发展主要得益于旨在提高助听器可及性和价格优势的监管政策变化。与处方助听器不同，非处方助听器可自行验配，且价格通常更低。然而，非处方助听器的个性化程度有限，不适用于重度听力损失患者。
 
助听器的关键器件包括数字信号处理器（DSP）、电源管理集成电路（PMIC）、用于控制和音频流传输的蓝牙低功耗（BLE）无线电模块、麦克风和扬声器。目前，制造商正在探索将人工智能（AI）集成到DSP处理过程中，以辅助完成各种任务，例如噪声分析以提高聆听舒适度以及从背景噪声中提取语音。

糖尿病是一种慢性疾病，会影响人体调节血糖（人体的主要能量来源）的方式。正常情况下，胰岛素这种激素帮助葡萄糖进入细胞供能，但在糖尿病患者中，人体要么胰岛素分泌不足，要么无法有效利用胰岛素。这会导致血糖水平升高，如果不加以治疗，可能会引发严重的健康并发症，甚至危及生命。持续血糖监测仪（CGM）是一种基于传感器的穿戴式血糖监测设备，需植入皮下，可提供持续的血糖读数，并且可以进行远程监控。这些设备使用户能够实时了解自己的血糖水平，从而更有效地管理疾病。
 
持续血糖监测设备已迅速成为糖尿病管理的重要基石，尤其是在消费者领域。这些可穿戴传感器能够实时追踪血糖水平，使患者无需指尖采血即可进行无创血糖监测，从而更好地管理糖尿病，并支持医护人员进行远程监测。传感器植入皮下，测量组织间液中的葡萄糖浓度。设备还包含一个发射器，用于无线传输测量结果。由于电池容量有限，且存在过敏反应的风险，设备大约需要每两周更换一次。
 
CGM的电化学传感器包含三个电极：工作电极（WE），用于产生葡萄糖氧化电流；对电极（CE），用于平衡反应；以及参比电极（RE），用于提供稳定的电压参考，以确保测量的准确性。来自工作电极的微弱电流被转换为电压并进行数字化处理。通过进一步的数字处理和无线通信，可以构建功能强大的互联解决方案，从而深入了解我们周围的环境以及我们自身的身体状况。

安森美针对消费级医疗保健可穿戴设备所推出的解决方案相当多，限于篇幅，本文将重点介绍以下几项产品，包括模拟前端（CEM102）、低功耗蓝牙（RSL15）和电池充电控制器（HPM10）。
 
CEM102是一款专为连续血糖监测（CGM）与类似低电流传感应用中的电化学传感器而开发的模拟前端（AFE）集成电路，它连接传感器接口和数字处理域，并采用安培法测量极低电流。凭借其小巧的尺寸和低功耗，它能够进一步缩小尺寸并延长许多终端应用的电池寿命。
 
CEM102设计用于与安森美的RSL15配合使用，从而带来多项系统级优势，例如优化系统功耗和供电电压。这包括可在1.3至3.6 V的宽供电电压范围内运行系统，通常使用单个1.5 V氧化银电池或3 V纽扣电池供电。
 
CEM102搭建了从传感器网络到数字处理的桥梁，并具有传感器调节功能，支持精确测量，其可灵活配置，支持1至4个电极，并拥有双工作电极独立偏置电压，以及强大的诊断功能，且具有极低的系统电流消耗（3.5 µA），可延长电池寿命，也可监控ADC输出阈值违规情况，以检测异常传感器状态，其采用小型WLCSP25封装。
 
为加快产品的开发速度，安森美并推出CEM102-EVB评估板，除了包含CEM102芯片外，还包含RSL15芯片以及用于设置和执行CEM102测量的示例代码。这有助于快速启动系统和固件开发。

蓝牙低功耗（BLE）是一种专为短距离通信而设计的无线技术，其功耗远低于传统蓝牙。它非常适合需要发送少量数据的设备，只需一枚小型纽扣电池即可运行数月甚至数年。BLE的应用领域涵盖医疗保健、健身、物联网等。
 
BLE无线电模块具有低功耗特性，专为超低功耗运行而设计，可使电池供电设备续航数年，且经济高效、设计成本低廉，适用于各种应用，适用于小数据传输，并针对小量数据传输进行了优化，而非音频等大数据流，尽管功耗更低，但仍保持与传统蓝牙相似的通信范围。
 
安森美推出的RSL15是一款基于Arm® Cortex®-M33处理器的超低功耗蓝牙®低功耗5.2无线微控制器（MCU），是医疗保健可穿戴设备等电池供电传感应用的理想之选。它通过集成电源管理、灵活的GPIO和时钟方案以及宽电源电压范围，为高性能、超低功耗应用提供了卓越的设计灵活性。RSL15具有业界领先的能源效率，可最大限度地减少电池消耗，从而实现更小的电池和更长的电池供电传感器的使用寿命。它被公认为业界功耗最低的基于闪存的安全蓝牙®低功耗微控制器，并配备易于使用的SDK，可简化开发流程。
 
RSL15可在更高的温度范围（-40至+85℃）工作，这款业界领先的超低功耗微控制器，配备易于使用的SDK，并在ULPMark - CoreMark测试中名列前茅，是目前最高效的主动处理微控制器，可在超低功耗下运行，睡眠模式唤醒（3V V_BAT）仅消耗36nA，睡眠模式深度睡眠、IO唤醒则消耗25-57 nA，接收灵敏度（蓝牙®低功耗模式，1 Mbps）为-9dBm，数据速率可达62.5至2000 kbps，发射功率为-17至+6dBm，采用QFN40或WLCSP40封装。
 
安森美推出的RSL15-EVB评估板旨在评估RSL15的性能和功能，并用于开发、演示和调试该器件的软件应用程序。它设计用于配合RSL15软件开发套件使用，具有板载RSL15无线MCU，内置512 kB闪存，以及板载SEGGER® J-Link®，方便代码下载和调试，可通过10针接头访问JTAG调试端口，电池和USB电源可自动切换，并可访问所有MCU接口（GPIO和测试点），用于测量和原型设计，具有两个按钮开关，测试点可与GND连接，方便探针连接，拥有CR2032电池座，也可通过USB连接供电，5V经板载稳压器可稳压至3.0V。
 
安森美并推出RSL15软件开发套件（SDK），提供驱动程序、库、示例代码和移动应用程序（适用于iOS/Android的RSL Central和RSL FOTA），以简化开发流程。它支持常用的IDE（onsemi IDE、Keil® µVision、IAR Workbench®），并包含文档和固件示例，它功能全面且易于使用。

目前市面上绝大多数助听器和血糖仪都使用一次性电池，尽管这些设备的设计理念是低功耗并尽可能延长使用寿命，但一次性锌空气电池在这些设备中的寿命仅为4-12天，导致需要频繁更换，并增加了电子垃圾的产生。可充电锂离子电池解决了这个问题，尽管前期成本较高，但其使用寿命更长，充电循环次数也更多。
 
为提高这些设备的使用时间，电源管理是关键。安森美的电池充电控制器HPM10是一款电源管理IC，为助听器和人工耳蜗设备中的可充电电池提供高性能解决方案。它能够生成助听器所需的电压，并管理充电算法，从而优化充电循环次数。HPM10支持银锌电池和锂离子可充电电池，它还能检测锌空气电池和镍氢（NiMH）一次性电池。HPM10拥有超低功耗，支持的电池类型灵活，可进行高效电源调节，具有非易失性存储器、通信接口，采用WLCSP29封装。
 
HPM10可通过V_BAT为助听器主DSP供电，并可完全独立运行，也可通过GPIO与主DSP通信，I²C则用于测试和调试HPM10以及对OTP进行编程，可通过有线连接与充电器通信，并监控充电状态和故障情况。安森美并开发了HPM10-002-GEVK评估板，其中包括评估板、充电板、编程工具和文档，可加快客户的产品开发流程。

消费级医疗保健可穿戴设备正站在技术普惠与临床价值的交会点上。从非处方助听器到连续血糖监测仪，这些设备不再只是被动的数据记录器，而是逐步转变为主动参与健康管理的个人医疗帮手。然而，要真正实现从“消费级便利”到“医疗级信赖”的跨越，设备必须在微型化、超低功耗、传感精准度与无线连接稳定性之间取得完美平衡，而这正是半导体技术扮演关键角色的所在。本文所介绍的安森美解决方案，不仅在硬件层面实现了体积缩减与电池寿命延长，更通过评估板与软件开发工具包的整合，将可大幅缩短了产品从概念到上市的时间，将是相关应用开发者的最佳选择之一。