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可穿戴心电仪入选《麻省理工科技评论》2019全球十大突破性技术

发布时间:2019-12-20 9:00:53



全球知名科技评论期刊《麻省理工科技评论》于今年早些时候发布了2019年“全球十大突破性技术”。可穿戴心电仪凭借目前创新的芯片技术可以从手腕、手指处获得准确的心电图(ECG)而成功入选。目前此类芯片的主要的供应商有德州仪器(TI)、亚德诺(ADI)和芯森微(Kingsense)。

《麻省理工科技评论》作为全球科技领域的权威杂志,该杂志自创刊至今已有120周年。这份榜单曾精准预测了脑机接口、智能手机、癌症基因疗法、深度学习等热门技术的崛起。本届评选邀请到微软公司创始人比尔·盖茨担任客座评选人并全程参与了评选工作。入选的10项突破性技术除了可穿戴心电仪,还包括灵巧机器人、核能新浪潮、早产预测、肠道显微胶囊、定制癌症疫苗、人造肉汉堡、二氧化碳捕获设备、无下水道卫生间、可流利对话的人工智能助手。


2019年《麻省理工科技评论》全球十大突破性技术榜单

2001年起,《麻省理工科技评论》每年发布“全球十大突破性技术”,关注技术的商业应用潜力以及对人类社会和生活的重大影响,也被认为是投资和技术应用领域的风向标。盖茨认为,在未来几年,治疗慢性病技术将会成为榜单的一大主题。他提到选出的榜单中的技术都是基于如下两个方面的考量:改变人类的技术创新不仅能延长寿命而且能提高生活质量。他还提到他为榜单上能够改善我们生活的技术感到兴奋,比如穿戴式健康监测设备,其中腕部心电仪会给心脏病人预警即将出现的问题。《麻省理工科技评论》认为, 随着监管机构的批准和相关技术的进步,人们可以轻松通过可穿戴设备持续监测自己的心脏健康。可检测心电图的智能手表可以预警如心房颤动等潜在的危及生命的心脏疾病。

目前市场上大部分健康监测的穿戴设备是通过光学式脉搏传感器进行脉搏测量,一方面这些设备检测到的只是心跳,信息有限。另一方面光学传感方式易受到环境光的影响导致准确度较差。而心电设备则是需要获取准确完整的心电波形,例如心电图由PQRST波段组成,可以用来判断和预警用户心脏的异常。病人中风或心脏病发作,通常需要去正规诊所使用专业心电监护设备才能检查。如果通过可穿戴心电仪,则可以及时记录和发现心脏异常,提前预警与治疗。心脏病突发一般具有阵发性、一过性,因此人们经常不能及时就诊而丧失最佳的预防干预时间。可能很少有人知道,心脏不舒服时心脏电信号的异常是转瞬即逝的,如到医院再测量,有很大可能错过异常信号的捕捉。据了解,我国心脏病猝死率全球第一,每天有1500人因心脏病而离世。而我国55周岁以上人群几乎都有这种疾病。据权威医学论证,经过科学合理的慢病干预和健康管理,以上慢病突发死亡的几率会大大降低,或者控制好病情是不会出现意外猝死的发生。如果可穿戴心电设备能在这其中准确监测用户心脏数据并给用户提供指导意见,将减少此类意外的发生。

随着新型芯片技术的突破和一些行业巨头的加入,目前用于心电监测的智能手表、手环以及其他掌上心电设备已经问世。它能通过手腕、手指获得心电图,具有可穿戴设备的便利性,并且能够提供接近医疗设备的精度。例如苹果公司与Alivecor公司合作发布了带有心电图功能的AppleWatch系列。国内,华米科技也推出了一系列具有心电监测功能的心电手环和手表。常州的晓风科技基于芯森微的传感芯片近期也推出了性能优于Alivecor的指尖心电设备。


基于芯森微KS1081/KS1082的可穿戴指尖心电仪:测试场景和测试波形

要实现准确获取心电波形的可穿戴心电仪并不容易,其背后隐藏的突破性技术则是微弱生物电信号采集的专用芯片。此类芯片要求极低的噪声参数,高的共模抑制比和高的输入阻抗。同时考虑穿戴式应用,芯片还需具有小的尺寸和低的功耗。一般来说,相比于传统的胸口导联式心电监测设备,可穿戴心电仪采用的生物电传感芯片面临多个技术挑战。这也是为何《麻省理工科技评论》将可穿戴心电仪列入“全球十大突破性技术”的主要原因。其芯片挑战主要在如下几个方面:

信号极其微弱: 手腕或指尖的心电信号由于远离心脏,信号经过肢体衰减很大。正常人在心脏周围的表皮心电信号一般1-2毫伏左右,指尖处的心电信号相对胸口心电信号则有成百倍的衰减,幅度远远小于1-2毫伏。

金属电极限制: 传统的心电采集普遍采用导电膏电极,广泛应用的有银-氯化银(Ag/AgCl)电极。通过导电膏可以增强皮肤与电极的接触。而穿戴心电仪一般需要使用金属干电极,而干电极与皮肤直接接触由于接触阻抗高、接触不稳定使原本微小的指尖心电信号采集变得更加困难。

应用场景干扰:穿戴环境下由于采用金属电极,电极接触不稳定,而且人的肢体在穿戴测试条件下容易抖动,运动干扰(伪差)很大,这些噪声干扰给信号采集也带了很大的麻烦。


芯森微公司推出的用于可穿戴指尖心电仪的传感芯片KS1081/KS1082

由于指尖心电信号采集的难度大,基于此类应用的传感芯片面临的技术挑战很大,目前推出此类芯片的全球厂商也是凤毛麟角。除了传统的芯片国际巨头TIADI之外,芯森微(kingsense)公司也发布和量产了新一代的单/双通道生物电模拟前端芯片KS1081/KS1082,目前已被国内外多家公司采用。相对于TIADI公司的同类芯片,芯森微KS1081/KS1082的特色主要在于对金属干电极的支持以及对指尖微弱心电信号的获取精度上。其独有的芯片低噪声、抗漂移和高输入阻抗技术,支持使用金属干电极和导电布电极从指尖、手腕端获取高保真PQRST波段的心电信号。并支持在行走,慢跑应用场景下进行心电信号采集。KS1081/KS1082采用QFN20封装,尺寸仅为3.0mm × 3.0mm,其应用方案外围元件不到5个。另外芯片的动态功耗在120uA左右,休眠模式下低于0.1uA,非常适合应用在对信号精度要求高的可穿戴心电设备上。

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