保健穿戴式生物感測前端設計工作非常棘手；這些開發套件將發揮關鍵作用

您可能不知道，您早就熟知航太工程師愛德華·墨菲 (Edward Murphy)。他從事安全關鍵系統工作，不過任何生物工程師皆理解墨菲定律所說的「凡事只要有可能出錯，就必然會出錯」。在看似簡單的系統中，即使對每個單獨的部分都有很深入的認識和理解，但將這些部分組合在一起產生的效果卻遠小於各部分的總和。

若您自行設計能夠提供精確量測的穿戴式健康和健身裝置，則對這種現象以及墨菲定律想必已非常熟悉。

我們非常瞭解採用光體積變化描記圖 (PPG) 或心電圖 (ECG) 測量生命徵象背後的概念。工程師知道，可透過測量周邊血管中血量的變化來獲得 PPG 導出的心率，或是透過監測心肌產生的生物電活動來確定 ECG 導出的心率。工程師瞭解估算末梢血氧飽和度 (SpO2) 背後的簡易理論，即運用氧合血紅素與去氧血紅素吸收光譜的差異。工程師也越來越熟知更複雜的量測功能，例如運用脈波傳遞時間 (PTT) 或脈波到達時間 (PAT) 來建置無袖式血壓監測儀。

上述種種量測皆仰賴類似的放大器與濾波器訊號鏈，來調整傳送至類比數位轉換器 (ADC) 的感測器訊號。微控制器 (MCU) 使用轉換的資料，執行記錄完善的演算法來產生心率、SpO2、血壓等各項值。

獲得清晰的生物訊號

開發人員可運用各種低功率、高精準度元件來建置自訂訊號鏈和處理子系統，讓他們的保健和健身產品脫穎而出。不過在大多數情況下，市面上供應有現成的專業生物感測器，因此不需要針對這些應用，建置專屬的生物感測器訊號鏈。

例如，Analog Devices 推出的 MAX86140 和 MAX86141 就是針對光學 PPG 方法專門設計的元件。針對生物電位 ECG 量測，Analog Devices 的 MAX30003、AD8232A 和 AD8233A 實作了必要的訊號鏈。Analog Devices 的 ADPD4100 和 ADPD4101 可支援這些量測類型。這些多模式類比前端 (AFE) 整合了一對多通道訊號調整鏈，其中包括轉阻放大器 (TIA)、帶通濾波器 (BPF)、積分器和 ADC。

這種 AFE 非常適合消費性穿戴式裝置，因此可供開發人員作為生物電型單引線 ECG 量測 (圖 1 左側) 與光學型 PPG 量測 (圖 1 右側) 的基礎。

圖 1：Analog Devices 的 ADPD4100 與 ADPD4101 AFE 支援 PPG (左側) 與 ECG (右側) 量測。(圖片來源：Analog Devices)

這些專用生物感應器有助於加速開發速度，但無法為您避免處理生物系統時所有可能會發生的錯誤。暫態環境能源與皮膚不均勻性等，都是無法預期但可能會有的假影，皆會影響到 PPG，而電磁干擾 (EMI) 與骨骼肌收縮等各種生理電氣訊號來源，則會使 ECG 更複雜。(我在進行論文研究時，發現這些各種不同的假影對訊噪比 (SNR) 產生的影響，有時會讓人感到難以招架。我不得不推遲主要目標，先建置機器學習 (ML) 型子系統來獲得清晰的生物訊號)。

鑑於生物系統的性質，開發人員發現即使全盤瞭解 PPG、ECG、PAT/PTT 以及其他生物物理方法的背景理論知識，設計健康或健身穿戴式裝置仍非一項易事。如果僅僅重視訊號鏈與演算法，開發人員很快就會發現，他們由於必須處理難以捉摸的清晰生物訊號獲取問題，而使得自己的工作進度遭到延宕。

不過，開發人員可運用生物感測器開發套件建置快速原型，開始探索不同光波長、電極放置或許多其他因素的影響，以最佳化生物訊號採集 (或首先使其正常運作)。

保健穿戴式裝置的原型設計專用套件

Analog Devices 的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 等評估套件與 MAXREFDES103# 健康感測器手環，係專為加快保健穿戴式裝置的開發速度所特別設計。在開發階段，EVAL-ADPD4100Z-PPG 採用該公司的 EVAL-ADPDUCZ Cortex-M3 微控制器型主機板進行編程，主機板透過套件電路板的 USB micro 連接器埠進行附接。開發人員可在拔除 USB 纜線後，透過電路板上的開孔連接所提供的腕帶，對其設計執行原處測試 (圖 2)。

圖 2：Analog Devices 的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 評估板可穿戴在手腕上，以研究實際的生物感測條件。(圖片來源：Analog Devices)

MAXREFDES103# 套件在預建的穿戴式套件中，整合基於 MAX86141 生物感測器的感測器子系統，以及基於 MAX32630 MCU 的完整主機子系統。除了按鈕以及可顯示元件狀態的彩色發光二極體 (LED) 外，此穿戴式套件還提供 USB Type-C 連接器，可附接提供的配接器板執行韌體更新 (圖 3)。

圖 3：MAXREFDES103# 健康公版設計包括用於現場研究生物感測器應用的穿戴式裝置。(圖片來源：Analog Devices)

或許最重要的是，每個套件皆隨附可分析量測資料的軟體套件，讓開發人員能在不同的感測設定下，在執行連續測量時研究產生的波形，並檢驗預期或意外假影所帶來的影響。Analog Devices 的 Wavetool Evaluation Software 可讓開發人員在不同的應用模式 (包括 SpO2 和 ECG 模式) 下執行 EVAL-ADPD4100Z-PPG。

Analog Devices 的 MAXREFDES103# 公版設計軟體套件包含內建的 DeviceStudio 應用程式，可讓開發人員針對心率和 SpO2 設定生物感測器與嵌入式演算法。此外還提供自家的健康感測器平台，這是一款 Android 應用程式，針對睡眠品質、呼吸速率和心率變化 (HRV) 提供額外的演算法。該平台作為監測個人自律神經系統變化的一種非侵入性方式，獲得醫學界的特別重視。

結論

從頭開始設計穿戴式裝置專用的生物感測訊號鏈，需要很大的決心及勇氣。不過，如果您決心自行建置訊號鏈，本文所述的專用開發套件可發揮關鍵作用，幫助您克服與生物感測相關的實際挑戰。