TI 感测技术方面的创新产品和设计(四) - 可穿戴式生物传感器

那第三个

检测心率、检测血氧

我不知道多少人戴了苹果的那个手表

就是检测心跳的

或者说是 Garmin 的那个

新的发布的卖得很火的一个手表

或者是飞利浦的这种手表

那他们在这个这种智能手表上

都是用了光电式

或者专业点叫光电脉冲容积波来检测心跳

通过光的发射再接收去检测

你每分钟心跳跳多少下

原理很简单

当我一个智能手表戴在手臂上的时候

它表盘下面会有几个绿灯

如果你去看苹果的那个手表

它下面都是绿灯的

绿灯发射照到转到你手臂上的毛细血管

然后因为毛细血管随着人的心跳或者呼吸

它会有脉动嘛

然后它就会反射回来

那反射回来的波形

其实包含人的心跳信息

那我这个模拟传感是用来干嘛的呢

很简单嘛

我就把这个小信号拾取出来

放大、滤波

告诉你心跳多少下

那虽然看上去过程很简单

就跟刚才压力传感器一样过程很简单

但其实你要把这个过程做得很好

精度做得很高

而且要抗各种干扰

运动干扰

我相信如果你要做一个智能手表

你不会只想做出来的用户

是不能动的去测的

我想测心跳了

跑几步我停下来测一下

这个肯定是没人买的嘛

那你怎么要做一个心率的手表

我是不停地在运动情况下

各种情况我都实时地有心跳显示

那这就是这样一个模拟前端

来配合运动算法

配合 LDPD 做出来一款这样的芯片

那其实 TI 在这方面其实历史蛮长的

顺便讲一下历史

就是 TI 最早有一颗芯片叫 AFE4490

最早这个芯片其实是给医疗级的客户

像国外最大的医疗三巨头

用来做到监护仪上血氧模块的

那用光电这个方式测心跳

其实这不是新鲜的事情

不是你们今天看到

苹果手表第一个发明的这种光电测

这不是真的第一个

这早就有了

大家如果去医院看过

指甲血氧仪是套在手指上的

医生护士人手一个的

这个技术很成熟了早就有了

区别在于是说

那种指甲血氧仪它是透射式的

你戴在指甲上

它的光发射在指甲壳的上面

接收是在指甲的手指的下面

一个发一个收

它是透射式的

那现在的由于那个运动啊、健康啊

还有穿戴式火起来之后

他说唉那我能不能做反射式的

我就不需要这样指甲套上了

我就戴个手表

发射在上面

接收也在上面

所以这是才有了一个这样的一个东西

那其实这个概念其实不新的了，很老了

那区别在于是说

有哪些人在硬件或者软件上结合做起来

能把这个反射式的测试心率的做好

那 TI 的 4404 就是在

我们 4490 这种医疗级别的基础上

慢慢把它做下来

因为 TI 先有医疗市场

然后 TI 也看到这个消费类市场的一个潜力

所以我们在

保证原有信号链的一个精度的基础上

把尺寸做小

那另外很重要一点就是把

肯定是把功耗做低

因为你戴在手上都锂电池的

所以在朝这几个方面努力之后

我们有了 4400、4403、4404

这 4404 是现在主推的一颗

那也能给大家透露一点

其实我们下一代产品很快又会出来了

可能会在几个月后再面市

就在 4400 基础上也会非常快

所以它的一些功能

比如说支持三个 LED 灯的

然后它的动态范围是 100dB 的

为什么 100dB 这么宽

就是因为我里面是一个 24 位的 △σ ADC

那另外当然尺寸也做得很小了

2.6×1.6 的

0.5mm 的这样一个 pinch 的

这样一个脚的间距

那它是能三颗灯同时能支持

心率和血氧的一个检测的

那这是几款用了 TI 的芯片的手表

手表当然我们没写名字

手表的这种显示给大家展示一下

以及不是手表的一个佩戴的显示

大家可以看到这个人戴在哪里

这个橄榄球运动员

把这个测心率的东西戴在手腕上

戴在这个他的上臂上

就这个这是他的实测的一个数据

那所以其实它的形式应用是多样化

不一定是手环手表这种现在很通用的东西

它其实还有各种各样的形式

腕带啊等等

那几点要强调一下

首先 TI 是先有医疗市场

然后再把医疗市场这个料

通过一些优化

功耗优化、体积优化

来面向我们消费类的市场

第二个是说

TI 的信号链

24 位的 ADC 在里面

所以保证了它的

这样一个小信号的拾取的精度

那还有很重要一点是说

同样也跟我们刚才传感器设计一样

其实光给你一个芯片肯定是不够的

因为你要做出很好的

一个能测心率的手表其实太难了

所以 TI 围绕这个就会做很多事情

给你第三方做软件的公司提供

然后给你模块的公司做好模块给你参考

你直接可以拿来用

配合算法都可以拿来用

所以有一整套 eco-system

来帮我们来做这个事情

那简单总结一下

反正测心率方面

大家目前只记住一颗料 4404 就好

那它能做很多事情

做哪些事情

它提供了电池的续航能力

为什么，因为它低功耗

正常在测心跳的时候

它一般是 200~300μA 的这样一个级别

第二个是在不同肤色上

它的小信号拾取能力很强

因为简单例子是说

如果一颗灯照在肤色不一样的人的身上

大家觉得哪种肤色的反射会大一点

哪种反射会小一点

对吧

所以很多公司做出的手表很好玩

它用在肤色白点上是能工作的

用在黑人就不工作了

所以它卖不到非洲这样的市场

所以像很多大公司在做的

基本上他们会

有些公司很搞笑

它的那个本地有很多大学

它就直接把留学生拉过来

一票留学生

拉丁美洲的、非洲的

拉过来做各种测试

所以为了拾取小信号在黑色肤上

它必须要保证

我这个本身的信号链信噪比是很高的

它的位数是很高的

所以 24 位以及 100dB 的动态范围

保证它能做这个事情

然后另外是配合动态算法

那另外一个比较有意思的是说

在低温环境下也 OK

低温环境下为什么 OK

是因为天气冷

大家的毛细血管

都往皮肤的更深处躲了

所以它的反射也就更弱了

那同样其实这个原理

跟刚才的肤色黑也是一样的

小信号的拾取能力嘛

另外一个环境光的干扰

然后等等这些东西

那我相信 TI 的这些

比较好的一个挑战

这些比较重要的一些挑战

在智能手表手环上

其实在 TI 的 4404

都是都得到一个蛮好的实现

当然我们还要算法

一颗再好的模拟传感

没有算法其实也是白搭了

做出手表也是个玩具手表

所以所以在设计这种产品的时候

其实很系统的

不是单个算法好就行

不是单个 AFE 好就行

好在 TI 这边有很多第三方的厂家

跟我们配合

所以有需求的话

我们可以帮你 link 到第三方厂家

提供到什么算法

当然如果你只想简单地

这种不需要动态的

TI 就会有了

当然做出来东西也只是看看玩玩的

都很简单

因为大家如果玩过苹果手表也一样

其实它的动态也不怎么好

所以你可以想象这个有多难

为什么这些算法公司都卖钱呢

人家存在是有一定道理的

连苹果都没能做得非常好

如果你玩过那个手表的话

那第三个

检测心率、检测血氧

我不知道多少人戴了苹果的那个手表

就是检测心跳的

或者说是 Garmin 的那个

新的发布的卖得很火的一个手表

或者是飞利浦的这种手表

那他们在这个这种智能手表上

都是用了光电式

或者专业点叫光电脉冲容积波来检测心跳

通过光的发射再接收去检测

你每分钟心跳跳多少下

原理很简单

当我一个智能手表戴在手臂上的时候

它表盘下面会有几个绿灯

如果你去看苹果的那个手表

它下面都是绿灯的

绿灯发射照到转到你手臂上的毛细血管

然后因为毛细血管随着人的心跳或者呼吸

它会有脉动嘛

然后它就会反射回来

那反射回来的波形

其实包含人的心跳信息

那我这个模拟传感是用来干嘛的呢

很简单嘛

我就把这个小信号拾取出来

放大、滤波

告诉你心跳多少下

那虽然看上去过程很简单

就跟刚才压力传感器一样过程很简单

但其实你要把这个过程做得很好

精度做得很高

而且要抗各种干扰

运动干扰

我相信如果你要做一个智能手表

你不会只想做出来的用户

是不能动的去测的

我想测心跳了

跑几步我停下来测一下

这个肯定是没人买的嘛

那你怎么要做一个心率的手表

我是不停地在运动情况下

各种情况我都实时地有心跳显示

那这就是这样一个模拟前端

来配合运动算法

配合 LDPD 做出来一款这样的芯片

那其实 TI 在这方面其实历史蛮长的

顺便讲一下历史

就是 TI 最早有一颗芯片叫 AFE4490

最早这个芯片其实是给医疗级的客户

像国外最大的医疗三巨头

用来做到监护仪上血氧模块的

那用光电这个方式测心跳

其实这不是新鲜的事情

不是你们今天看到

苹果手表第一个发明的这种光电测

这不是真的第一个

这早就有了

大家如果去医院看过

指甲血氧仪是套在手指上的

医生护士人手一个的

这个技术很成熟了早就有了

区别在于是说

那种指甲血氧仪它是透射式的

你戴在指甲上

它的光发射在指甲壳的上面

接收是在指甲的手指的下面

一个发一个收

它是透射式的

那现在的由于那个运动啊、健康啊

还有穿戴式火起来之后

他说唉那我能不能做反射式的

我就不需要这样指甲套上了

我就戴个手表

发射在上面

接收也在上面

所以这是才有了一个这样的一个东西

那其实这个概念其实不新的了，很老了

那区别在于是说

有哪些人在硬件或者软件上结合做起来

能把这个反射式的测试心率的做好

那 TI 的 4404 就是在

我们 4490 这种医疗级别的基础上

慢慢把它做下来

因为 TI 先有医疗市场

然后 TI 也看到这个消费类市场的一个潜力

所以我们在

保证原有信号链的一个精度的基础上

把尺寸做小

那另外很重要一点就是把

肯定是把功耗做低

因为你戴在手上都锂电池的

所以在朝这几个方面努力之后

我们有了 4400、4403、4404

这 4404 是现在主推的一颗

那也能给大家透露一点

其实我们下一代产品很快又会出来了

可能会在几个月后再面市

就在 4400 基础上也会非常快

所以它的一些功能

比如说支持三个 LED 灯的

然后它的动态范围是 100dB 的

为什么 100dB 这么宽

就是因为我里面是一个 24 位的 △σ ADC

那另外当然尺寸也做得很小了

2.6×1.6 的

0.5mm 的这样一个 pinch 的

这样一个脚的间距

那它是能三颗灯同时能支持

心率和血氧的一个检测的

那这是几款用了 TI 的芯片的手表

手表当然我们没写名字

手表的这种显示给大家展示一下

以及不是手表的一个佩戴的显示

大家可以看到这个人戴在哪里

这个橄榄球运动员

把这个测心率的东西戴在手腕上

戴在这个他的上臂上

就这个这是他的实测的一个数据

那所以其实它的形式应用是多样化

不一定是手环手表这种现在很通用的东西

它其实还有各种各样的形式

腕带啊等等

那几点要强调一下

首先 TI 是先有医疗市场

然后再把医疗市场这个料

通过一些优化

功耗优化、体积优化

来面向我们消费类的市场

第二个是说

TI 的信号链

24 位的 ADC 在里面

所以保证了它的

这样一个小信号的拾取的精度

那还有很重要一点是说

同样也跟我们刚才传感器设计一样

其实光给你一个芯片肯定是不够的

因为你要做出很好的

一个能测心率的手表其实太难了

所以 TI 围绕这个就会做很多事情

给你第三方做软件的公司提供

然后给你模块的公司做好模块给你参考

你直接可以拿来用

配合算法都可以拿来用

所以有一整套 eco-system

来帮我们来做这个事情

那简单总结一下

反正测心率方面

大家目前只记住一颗料 4404 就好

那它能做很多事情

做哪些事情

它提供了电池的续航能力

为什么，因为它低功耗

正常在测心跳的时候

它一般是 200~300μA 的这样一个级别

第二个是在不同肤色上

它的小信号拾取能力很强

因为简单例子是说

如果一颗灯照在肤色不一样的人的身上

大家觉得哪种肤色的反射会大一点

哪种反射会小一点

对吧

所以很多公司做出的手表很好玩

它用在肤色白点上是能工作的

用在黑人就不工作了

所以它卖不到非洲这样的市场

所以像很多大公司在做的

基本上他们会

有些公司很搞笑

它的那个本地有很多大学

它就直接把留学生拉过来

一票留学生

拉丁美洲的、非洲的

拉过来做各种测试

所以为了拾取小信号在黑色肤上

它必须要保证

我这个本身的信号链信噪比是很高的

它的位数是很高的

所以 24 位以及 100dB 的动态范围

保证它能做这个事情

然后另外是配合动态算法

那另外一个比较有意思的是说

在低温环境下也 OK

低温环境下为什么 OK

是因为天气冷

大家的毛细血管

都往皮肤的更深处躲了

所以它的反射也就更弱了

那同样其实这个原理

跟刚才的肤色黑也是一样的

小信号的拾取能力嘛

另外一个环境光的干扰

然后等等这些东西

那我相信 TI 的这些

比较好的一个挑战

这些比较重要的一些挑战

在智能手表手环上

其实在 TI 的 4404

都是都得到一个蛮好的实现

当然我们还要算法

一颗再好的模拟传感

没有算法其实也是白搭了

做出手表也是个玩具手表

所以所以在设计这种产品的时候

其实很系统的

不是单个算法好就行

不是单个 AFE 好就行

好在 TI 这边有很多第三方的厂家

跟我们配合

所以有需求的话

我们可以帮你 link 到第三方厂家

提供到什么算法

当然如果你只想简单地

这种不需要动态的

TI 就会有了

当然做出来东西也只是看看玩玩的

都很简单

因为大家如果玩过苹果手表也一样

其实它的动态也不怎么好

所以你可以想象这个有多难

为什么这些算法公司都卖钱呢

人家存在是有一定道理的

连苹果都没能做得非常好

如果你玩过那个手表的话