设计小型蓝牙医疗保健设备和可穿戴设备的技巧与解决方案

当智能牙齿植入体能够粘附于齿面、从唾液中捕捉千余种健康指标时，无线医疗保健设备的小型化已不再只是技术愿景，而是正在发生的现实。从连续血糖监测仪到可穿戴贴片，医疗物联网（IoMT）将强大算力与蓝牙连接封装进越来越微小的体积中。本文将为您梳理设计小型蓝牙医疗保健设备的关键技巧，并分享如何借助Silicon Labs的高集成度SoC，助力创新者突破微型化边界，让互联健康触达这些此前未曾想象的应用场景。

随着现代人越来越重视自己的健康状态，以及科技的快速发展，均促使着医疗物联网的快速发展。如今，该领域的技术创新蓬勃发展，联网医疗保健设备的普及率也在持续加速。预计无线医疗保健设备的出货量将比2024年增长40%，从2024年的3.29亿台增长到2028年的5.44亿台。
 
IoMT的发展动力来自多个方面，像是无线计算平台正变得越来越小巧、智能和强大，微处理器的时钟频率和内存容量都在不断提升，硬件AI/ML加速器已被集成到无线微控制器中，安全性也在不断增强。然而，微处理器的尺寸却保持不变，甚至还在缩小。
 
无线计算的持续小型化是推动医疗物联网发展的关键驱动力。像是创新型健康科技公司Lura Health于2023年推出了全球最小的联网可穿戴设备——智能牙齿植入体。这款微型设备可粘合在牙齿上，具备强大的计算能力和高性能的蓝牙（BLE）连接功能，使牙医和临床医生能够从唾液中采集重要数据。唾液是重要的健康指标，可用于检测1000多种健康状况。
 
这些引领潮流的设备制造商不断突破微型连接的极限，将无线功能集成到更小的设备尺寸中，并应用于人们从未想象过的应用场景。设计尺寸小巧、设计要求苛刻的蓝牙医疗保健设备，并非仅仅意味着从市场上挑选最小的硬件元器件，您还可以通过优化物料清单（BOM）来缩小产品的尺寸。

在设计无线医疗保健产品时，有一些重要的蓝牙设计理念，将可帮助您在医疗保健应用中节省PCB空间、降低设计成本并优化物料清单。首先是可采用先进的集成式AI/ML加速器，机器学习（ML）能够利用现有模型处理海量传感器数据，识别异常情况，并确定哪些数据需要传输回云端。例如，心电图（EKG）等设备会将所有采集的数据传输回云端进行处理和分析，通过识别设备上的关键数据，只需传输特定数据子集，即可节省宝贵资源并延长电池寿命。
 
人工智能（AI）也可应用于居家养老等领域。在这些应用中，监测生命体征、分析数据变化、观察步态等，以及识别异常模式，可以为医疗保健服务提供者提供关键的诊断数据，并向护理人员和亲人发出救命警报，从而显着改善甚至挽救患者的生命。
 
模拟外设是无线医疗保健设备的重要组成部分，ADC（模数转换器）广泛应用于无线医疗保健设备和可穿戴设备，用于实现传感器测量和电池电量监测。此外，对于采用分立式模拟前端（AFE）的CGM（连续血糖监测）制造商（以及其他便携式医疗保健设备）而言，ADC和DAC是两个关键功能，它们可以集成在芯片上，无需在电路板上添加额外的元器件。
 
DC-DC转换器是电池供电医疗保健设备的重要功能。升压转换器使SoC能够使用输入电压范围为0.8至1.7V的低压电池（例如碱性电池和氧化银电池），从而使蓝牙SoC能够在较低的电源电压下工作。降压转换器使SoC能够使用其他~3V电池（例如锂纽扣电池），用于提高能源效率和延长电池寿命或减小电池尺寸。此外，为了预测和防止在关键健康应用使用过程中出现意外的电池电量耗尽，库仑计数器可以精确跟踪电池电量，从而增强用户安全性和体验。
 
低频RC振荡器（LFRCO）是调整时钟精度的重要器件，对于2.4GHz低功耗蓝牙应用，低功耗蓝牙SoC需要满足±500ppm的睡眠时钟精度要求。另一方面，网络是无线医疗保健设备的必备功能。然而，医疗保健设备和可穿戴设备的功率较低，这意味着您可以在保持可接受的射频性能的前提下，减少PCB层数和元器件数量。此外，最大限度地降低蓝牙设备的功耗，可以帮助设备制造商实现更小的设备尺寸。

为了满足无线医疗保健设备的设计需求，可以使用Silicon Labs集成的蓝牙SoC和模块，其中包含医疗保健应用所需的各种外围功能和特性，可以显著节省PCB空间，增强设计灵活性，并降低成本。Silicon Labs与众多医疗保健设备制造商合作已有数十年，凭借这些成功的合作经验，Silicon Labs开发了多种与无线医疗保健应用相关的功能，并将其集成到Silicon Labs的蓝牙SoC和模块中。Silicon Labs的蓝牙解决方案具有强大的安全性，最高可达PSA 3级认证和DTSec（互联糖尿病设备的网络安全标准）。
 
为了让小型医疗保健设备拥有更强大的计算能力和安全性，Silicon Labs推出了全新的BG29低功耗蓝牙SoC，它将强大的计算能力、大容量内存和高性能的低功耗蓝牙（BLE）连接功能带入最小尺寸的设备。BG29专为先进的互联医疗和健康应用而设计，例如可穿戴设备、贴片、连续血糖监测仪、胰岛素输注系统、睡眠监测仪和智能植入物。其高灵敏度无线电模块经过优化，可在与人体直接接触的情况下正常工作，且封装紧凑、功能强大。
 
BG29小型蓝牙微控制器配备了多项针对小型化设备和可穿戴设备优化的功能，像是BG29极其紧凑，它可提供QFN和WLCSP两种封装，其中WLCSP封装的尺寸仅为2.6 x 2.8 mm。这使得BG29成为市场上最小巧、安全且功能强大的无线MCU解决方案之一。WLCSP封装非常适合微型设备，例如胰岛素输注贴片、睡眠监测设备、连续血糖监测仪和智能牙齿植入物，而QFN封装则针对尺寸不受限制的健康设备进行了优化，例如脉搏血氧仪和心率监测仪。
 
人体是医疗器械制造商面临的最复杂的设计挑战之一。人体会吸收和反射无线电信号，并干扰天线谐振，尤其对于受严格监管和电磁辐射特定吸收率（SAR）限制的小型可穿戴设备而言更是如此。BG29拥有同类产品中最佳的-99.2 dBm无线电灵敏度，这是在体内和体表应用中发送和接收蓝牙消息的最重要特性，同时还能节省设备能量和电池电量。
 
BG29配备1 MB闪存、256 kB RAM和76.8 MHz ARM® Cortex®-M33处理器，可为高级应用提供卓越的处理能力，同时保持低功耗。它拥有充足的计算能力来处理复杂的算法，而大容量内存即使在智能手机长时间断开连接的情况下也能确保数据跟踪持续进行。
 
BG29集成的DC-DC升压电路为医疗设备制造商提供了宽电压范围，支持单节碱性电池、纽扣电池、1.5V氧化银电池以及其他化学电池，从而缩小电池和设备尺寸。集成的库仑计数器（仅在降压模式下可用）可对医疗设备进行精确的电池电量监控，避免在关键健康应用使用过程中出现意外电量耗尽，从而提升用户体验。
 
此外，BG29具有高度安全性，这在医疗健康领域至关重要。Silicon Labs Secure Vault™ 解决方案采用虚拟安全引擎，通过提供高级加密、安全密钥管理和身份验证，保护设备和用户免受可扩展的本地和远程软硬件攻击。

除了BG29之外，Silicon Labs还推出一系列蓝牙无线SoC来满足客户的多样需求。像是Silicon Labs的BG24蓝牙SoC可为设备制造商提供集成式AI/ML加速器，可实现更快、更节能的ML推理，无需在电路板上额外配备ML处理器。
 
Silicon Labs的多款蓝牙SoC还集成了高分辨率的ADC，支持12位、16位和20位分辨率，从而节省成本、缩小芯片面积、简化设计和测试工作。此外，与许多同类产品相比，Silicon Labs的蓝牙解决方案可提供更高的ADC有效位数（ENOB），实现更高效的采样。Silicon Labs的BG24集成了ADC和DAC，可与外部运算放大器配合使用，形成完整的模拟前端，从而降低CGM设备的成本、空间占用和集成复杂性。
 
针对无线医疗保健设备的电源升压与降压需求，Silicon Labs BG27直接集成了这两种DC-DC转换器，无论是在运行期间还是在优化的睡眠模式（EM2）下，超低功耗再加上BG27提供的DC-DC升压电路提供的1.5V电源，使得设备可以配备一个非常小的1.5V氧化银电池，从而最大限度地缩小设备的整体尺寸。此外，BG27还集成了库仑计数器，可以有效节省元器件数量，无需在电路板上添加其他外部元器件。
 
另一方面，Silicon Labs的BG22和BG27还具有一个内部32 kHz低频RC振荡器，该振荡器可与器件上的HFXO进行自校准，以满足低功耗蓝牙（BLE）的要求。因此，除非应用需要更高的时钟精度，否则器件制造商可以省去电路板上的外部低频晶体，从而节省空间并降低物料清单成本。
 
Silicon Labs的参考无线电板设计通常使用大量元器件和多层结构进行射频和V_DD滤波，即使在最高输出功率下也能为设备制造商提供最佳的射频性能。通过优化BG22、BG24和BG27 SoC的射频性能，使其符合ETSI和FCC对低功耗设备的规定，您可以减少旁路电容、滤波器和天线匹配网络的数量，总共最多可减少6-14个元器件，从而缩小尺寸并降低物料清单成本，同时满足ETSI/FCC的要求。

设计小型蓝牙医疗保健设备与可穿戴设备，是一场在多维度约束中寻求最佳解答的精密工程，必须从毫厘必争的PCB布局，到微瓦级的功耗控制，再到人体环境中复杂的射频挑战，每一项取舍都直接影响产品的临床实用性与用户安全。Silicon Labs的蓝牙SoC系列正是因应这些需求而生，随着IoMT市场持续扩张，无线连接将渗透至更多贴身、植入甚至一次性医疗场景，期待这些技术能协助创新者跨越设计瓶颈，将下一个颠覆性的医疗设备从想象带入现实，为全球健康福祉缔造更安全、更智能的未来。