隨著可穿戴設(shè)備逐漸從運(yùn)動(dòng)助手、娛樂(lè)工具的產(chǎn)品定位升級(jí)到健康伴侶，具備PPG(光電容積脈搏波描記法)測(cè)量心率(HR)、血氧飽和度(SpO2)及其他生物計(jì)量指標(biāo)，也成為“剛需”功能。因此，可穿戴設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)：如何在終端應(yīng)用整體方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款高精度、高可靠，甚至滿足臨床級(jí)的PPG測(cè)量方案?此文將提供多種可穿戴設(shè)備的PPG測(cè)量方案設(shè)計(jì)，滿足終端客戶的設(shè)計(jì)需求。

通常來(lái)說(shuō)，PPG測(cè)量方案由光發(fā)射器(發(fā)光二極管，LED)、光感應(yīng)器(光電二極管，PD)、模擬前端(AFE)芯片及加速計(jì)構(gòu)成。PPG檢測(cè)即通過(guò)光發(fā)射器將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部，再由光感應(yīng)器接收光強(qiáng)變化，最后通過(guò)模擬前端芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而獲取PPG原始信號(hào)。其間，加速計(jì)可測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與光信號(hào)結(jié)合使用，可作為PPG算法輸入。在PPG檢測(cè)后期，可通過(guò)復(fù)雜的算法，處理來(lái)自模擬前端和加速計(jì)的原始信號(hào)，從而生成持續(xù)的運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)心率、血氧數(shù)據(jù)和其他生物計(jì)量數(shù)據(jù)。

PPG的心率檢測(cè)原理：利用人體的血液容積會(huì)隨著心臟律動(dòng)呈搏動(dòng)性變化，光感應(yīng)器接收的光強(qiáng)也隨之呈搏動(dòng)性變化。通過(guò)PPG模擬前端(AFE)芯片調(diào)節(jié)，即可將光強(qiáng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由此計(jì)算心率值。PPG的血氧飽和度檢測(cè)原理：利用氧中血紅蛋白與脫氧血紅蛋白對(duì)紅光(660nm)和紅外光(940nm)的吸收光譜不同，測(cè)量氧和血紅蛋白的濃度，即可提供可連續(xù)的動(dòng)態(tài)血氧監(jiān)測(cè)PPG信號(hào)。

PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)介紹，PPG檢測(cè)結(jié)果的精度與原始信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性密切相關(guān)，而原始信號(hào)與PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。因此，擁有高品質(zhì)的PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，是可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度PPG檢測(cè)功能的基礎(chǔ)。PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括光學(xué)小板布局、光窗設(shè)計(jì)和相關(guān)結(jié)構(gòu)工藝選擇等。其中，PD與LED透光光窗的光路傳導(dǎo)路徑及結(jié)構(gòu)疊層(LED沿手臂方向擺放。

在我們的日常生活中，可穿戴電子產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)處不在。相比于最初的產(chǎn)品，如今的可穿戴設(shè)備不再只是獨(dú)立的設(shè)備，從智能手表到智能眼鏡再到醫(yī)療貼片，它們正在成為人們健康生活方式的關(guān)鍵部分。

2025年的全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)有望進(jìn)入全面轉(zhuǎn)型階段，主要有兩個(gè)方面的原因：一是許多尖端技術(shù)諸如生成式人工智能、增強(qiáng)的連接性、新一代短距無(wú)線通信等正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活;二是消費(fèi)者對(duì)健康和健身跟蹤的需求有了翻天覆地的變化。技術(shù)進(jìn)步和不斷變化的創(chuàng)新需求正在重塑該行業(yè)。

可穿戴設(shè)備的五大發(fā)展趨勢(shì)

可穿戴設(shè)備正在成為健康監(jiān)測(cè)不可或缺的工具。2025年，可穿戴設(shè)備的發(fā)展重點(diǎn)將放在先進(jìn)的健康監(jiān)測(cè)、人工智能(AI)驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化以及與智能家居和AR系統(tǒng)的無(wú)縫集成上。

趨勢(shì)1：AI在可穿戴設(shè)備中的作用日益增強(qiáng)

人工智能正在迅速改變可穿戴技術(shù)的格局。健康跟蹤一直是可穿戴設(shè)備的核心，但在2025年，人工智能驅(qū)動(dòng)的可穿戴設(shè)備將變得更加智能和直觀。

配備了下一代生物識(shí)別傳感器的智能手表、戒指和其他可穿戴設(shè)備，其功能不再僅限于步數(shù)和心率監(jiān)測(cè)，人工智能算法將為這些設(shè)備帶來(lái)新的功能，包括連續(xù)血糖跟蹤、水合監(jiān)測(cè)和壓力檢測(cè)，可監(jiān)測(cè)的生物體征將越來(lái)越多。例如，智能戒指被證明對(duì)睡眠跟蹤特別有效，它可以更深入地了解佩戴者的睡眠質(zhì)量、氧飽和度和夜間心率變異性。隨著健康可穿戴設(shè)備變得更加智能，它們的作用將從簡(jiǎn)單地跟蹤數(shù)據(jù)，跨越到在癥狀出現(xiàn)之前檢測(cè)潛在的健康問(wèn)題。此時(shí)，人工智能驅(qū)動(dòng)的個(gè)人健康教練很可能成為游戲規(guī)則的改變者，以健身為重點(diǎn)的可穿戴設(shè)備將通過(guò)健康評(píng)分以及鍛煉模式分析，為佩戴者提出健身計(jì)劃、飲食調(diào)整等建議，甚至根據(jù)運(yùn)動(dòng)模式預(yù)測(cè)受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

趨勢(shì)2：智能手表成為腕戴式可穿戴市場(chǎng)重要推手

智能手表正在通過(guò)人工智能、健康監(jiān)測(cè)和連接方面的創(chuàng)新推動(dòng)可穿戴市場(chǎng)的發(fā)展。無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)是可穿戴技術(shù)中最受期待的突破之一，這項(xiàng)創(chuàng)新無(wú)需對(duì)手指進(jìn)行點(diǎn)刺即可為用戶提供實(shí)時(shí)血糖跟蹤。據(jù)彭博社的報(bào)道，幾家國(guó)際手機(jī)大廠正在大力投資這一功能，并著力將其整合到他們的下一代智能手表中。

趨勢(shì)3：先進(jìn)的傳感器技術(shù)推動(dòng)可穿戴設(shè)備創(chuàng)新

市場(chǎng)上對(duì)具有睡眠和壓力監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備的需求持續(xù)增長(zhǎng)，可用于心電圖、血氧和睡眠監(jiān)測(cè)的先進(jìn)傳感器則是改變可穿戴健康跟蹤功能的推動(dòng)者。傳感器技術(shù)的應(yīng)用使得這些功能在各個(gè)價(jià)格范圍內(nèi)均變得越來(lái)越容易獲得，從而實(shí)現(xiàn)更大的可穿戴設(shè)備的功能創(chuàng)新。

趨勢(shì)4：智能眼鏡和智能戒指成為市場(chǎng)新的增長(zhǎng)點(diǎn)

極簡(jiǎn)主義和功能化是新一代消費(fèi)品的發(fā)展趨勢(shì)。智能眼鏡和智能戒指憑借其輕巧的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的健康跟蹤功能越來(lái)越受歡迎。尤其是智能戒指，正在成為下一個(gè)必備的可穿戴設(shè)備，可全天候自然佩戴的戒指更容易獲取連續(xù)且準(zhǔn)確的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些小巧而強(qiáng)大的設(shè)備正在通過(guò)提供許多相同的功能如健康跟蹤、非接觸式支付和智能家居控制等向智能手表的市場(chǎng)地位發(fā)起挑戰(zhàn)。

與此同時(shí)，性能得到極大改善的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可穿戴設(shè)備正在重塑消費(fèi)者對(duì)可穿戴技術(shù)的期望，2025年將是AR眼鏡和混合現(xiàn)實(shí)耳機(jī)實(shí)現(xiàn)重大飛躍的一年。

趨勢(shì)5：超越健康監(jiān)測(cè)，與更大的生態(tài)系統(tǒng)整合

2025年的可穿戴設(shè)備將超越健康追蹤成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)的核心，屆時(shí)可穿戴設(shè)備通過(guò)與其他智能設(shè)備進(jìn)行交互進(jìn)而創(chuàng)建一個(gè)互聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)。智能手表和智能戒指等設(shè)備現(xiàn)在正在展開(kāi)與智能家居系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)平臺(tái)甚至汽車(chē)系統(tǒng)的集成。例如，智能戒指或智能手表可以充當(dāng)數(shù)字鑰匙，允許用戶在沒(méi)有物理鑰匙的情況下解鎖車(chē)門(mén)或啟動(dòng)車(chē)輛。

可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及解決方案

可穿戴電子設(shè)備的功能已經(jīng)變得越來(lái)越強(qiáng)大，它們可以監(jiān)測(cè)人類(lèi)健康、活動(dòng)和環(huán)境的各個(gè)方面。然而，這些設(shè)備也面臨著電池壽命、數(shù)據(jù)隱私和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限等挑戰(zhàn)。

為了克服這些挑戰(zhàn)并增強(qiáng)可穿戴設(shè)備的功能，設(shè)備中引入了邊緣計(jì)算和AI/ML技術(shù)。通過(guò)運(yùn)行AI/ML模型，可穿戴設(shè)備可以從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并執(zhí)行識(shí)別、分類(lèi)、預(yù)測(cè)和優(yōu)化等任務(wù)，而不會(huì)產(chǎn)生額外的延遲、數(shù)據(jù)成本和功耗。同時(shí)，AI/ML算法還可以被用來(lái)拓展可穿戴設(shè)備的功能，如通過(guò)處理收集的生物特征數(shù)據(jù)檢測(cè)佩戴者的心率、血壓和氧飽和度等。

嵌入式微控制器(MCU)和應(yīng)用處理器可提供更強(qiáng)的處理能力，同時(shí)還能保持超低功耗以及足夠小的封裝尺寸，非常適合可穿戴設(shè)備方案。

STMicroelectronics的STM32U575xx器件屬于超低功耗微控制器，已被很多可穿戴方案選用。這款MCU基于高性能Arm Cortex-M33 32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)160MHz，內(nèi)核中帶有單精度FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算單元)，支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和所有數(shù)據(jù)類(lèi)型。此外，該內(nèi)核還具備一套完整的DSP(數(shù)字信號(hào)處理)指令集和增強(qiáng)應(yīng)用安全的MPU(存儲(chǔ)器保護(hù)單元)。在安全方面，這款器件提供了符合Arm TBSA(基于信任的安全架構(gòu))要求的安全基礎(chǔ)，其中內(nèi)置了實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)、安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和安全固件更新所需的安全功能。

可穿戴設(shè)備類(lèi)型多樣，主要包括以下幾類(lèi)：

智能手表

智能手表是穿戴設(shè)備中最常見(jiàn)且功能全面的設(shè)備之一。它們不僅可以顯示時(shí)間，還能接收通知、監(jiān)測(cè)健康數(shù)據(jù)(如心率、血氧、睡眠質(zhì)量等)、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)追蹤(如步數(shù)、距離、卡路里消耗等)，并具備支付、音樂(lè)播放、拍照等附加功能。智能手表通常配備觸摸屏和多種應(yīng)用程序，用戶可以通過(guò)下載和安裝應(yīng)用程序來(lái)擴(kuò)展其功能。

智能手環(huán)

智能手環(huán)是另一種流行的穿戴設(shè)備，主要用于健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)追蹤。它們通常比智能手表更輕便、價(jià)格更實(shí)惠，并具備心率監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)、計(jì)步等核心功能。智能手環(huán)的外觀設(shè)計(jì)多樣，適合不同風(fēng)格和需求的用戶。

智能眼鏡

智能眼鏡是一種具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)功能的穿戴設(shè)備。它們可以提供導(dǎo)航、拍照、觀影、游戲等多種體驗(yàn)，并通過(guò)內(nèi)置傳感器和攝像頭捕捉用戶周?chē)男畔ⅰＶ悄苎坨R在特定場(chǎng)景下非常有用，如旅游、教育、娛樂(lè)等。

智能服裝

智能服裝是一種集成了智能傳感器的衣物，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體的各項(xiàng)指標(biāo)，如體溫、心率、呼吸等。這些服裝通常用于健身、運(yùn)動(dòng)或醫(yī)療領(lǐng)域，幫助用戶更好地了解自己的身體狀況。

其他特殊功能設(shè)備

除了上述幾種常見(jiàn)的穿戴設(shè)備外，還有一些其他類(lèi)型的設(shè)備，如智能鞋子、智能手套、智能襪子、智能頭盔等。這些設(shè)備通常具有特定的功能和應(yīng)用場(chǎng)景，如提高生產(chǎn)效率、監(jiān)測(cè)健康數(shù)據(jù)等。這些可穿戴設(shè)備各具特色，功能豐富，滿足了用戶在健康、運(yùn)動(dòng)、娛樂(lè)等多個(gè)方面的需求。