ST1VAFE3BX：意法半導(dǎo)體推出首款超低功耗生物傳感器，成為眾多新型應(yīng)用的核心所在
ST 最新推出的生物傳感器ST1VAFE3BX 將生物電位輸入與意法半導(dǎo)體的加速度計(jì)以及機(jī)器學(xué)習(xí)核心相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)同步，從而為下一代需要控制能耗的可穿戴醫(yī)療設(shè)備開辟了道路。此外，其小巧的封裝(2 mm x 2 mm x 0.74 mm)有助于降低制造成本和 PCB電路板尺寸。整體設(shè)計(jì)對(duì)電能的需求也更低，系統(tǒng)架構(gòu)需求的復(fù)雜程度也隨之降低。不過，ST1VAFE3BX 保留了先前推出的ST1VAFE6AX 的有限狀態(tài)機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)核心，確保了能夠在邊緣端提供人工智能。
此前在慕尼黑電子展 上展示了這款生物傳感器的實(shí)際應(yīng)用，例如，我們與杜邦共同開發(fā)的實(shí)時(shí)便攜式心率監(jiān)測(cè)儀和心電圖貼片系統(tǒng)。
ST 生物傳感器是vAFE、加速度計(jì)和 AI 的結(jié)合體
生物傳感器是什么?
生物傳感器并非什么新鮮事物，而且它在重要設(shè)備中的應(yīng)用正越來越多。從本質(zhì)上講，生物傳感器與溫度計(jì)、電位計(jì)、濕度計(jì)或氣壓計(jì)等傳統(tǒng)傳感器類似，不同的是，它們檢測(cè)跟蹤的生物信號(hào)，例如，心跳、呼吸、大腦活動(dòng)等。ST 博客的忠實(shí)讀者應(yīng)該記得，多年來，我們一直在介紹ST傳感器和技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用情況。然而，醫(yī)療應(yīng)用對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性都有極高的要求，還受到法規(guī)的嚴(yán)格限制，因此，醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。例如，一款消費(fèi)級(jí)手表即便少記錄幾步也不會(huì)產(chǎn)生什么不良影響。但對(duì)于心電圖醫(yī)療設(shè)備來說，情況就截然不同了，因?yàn)檫@種低準(zhǔn)確度會(huì)產(chǎn)生無用并具有潛在危險(xiǎn)的數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致醫(yī)生做出對(duì)患者不利的臨床決策。
vAFE是什么?
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)并確保測(cè)量更準(zhǔn)確，ST 目前正在推首款嵌入垂直模擬前端 (vAFE) 和超低功耗加速度計(jì)的生物傳感器 ST1VAFE3BX。顧名思義，vAFE 是專用集成電路 (ASIC) 內(nèi)的模擬電路，用于放大和過濾特定應(yīng)用傳感元件捕獲的生物電位信號(hào)，例如 ECG。
全新的心電圖監(jiān)測(cè)方式：用智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備內(nèi)的 ST 生物傳感器監(jiān)測(cè)心電圖
當(dāng)我們研究 vAFE 時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是讓工程師用差分模式連接電極來測(cè)量靜電勢(shì)。因此，我們生物傳感器中的 vAFE 是觸摸或滑動(dòng)手勢(shì)感測(cè)技術(shù)的一種應(yīng)用擴(kuò)展，現(xiàn)在，可以檢測(cè)更復(fù)雜的信號(hào)。因此，這也證明了我們?cè)趥鞲衅鞣矫娴膶I(yè)技術(shù)是如何滲透到整個(gè)產(chǎn)品系列之中的。
用電極測(cè)量靜電勢(shì)的示例
為什么要增加加速度計(jì)和人工智能
生物傳感器框圖：整合用于檢測(cè)生物電位信號(hào)的垂直模擬前端 (vAFE) 和用于運(yùn)動(dòng)跟蹤的三軸超低功耗加速度計(jì)以及 AI 核心 (MLC、FSM)
模擬前端 vAFE 檢測(cè)生物電位信息，同時(shí)慣性傳感器提供情境感知功能，有助于進(jìn)一步凈化信號(hào)，確保機(jī)器學(xué)習(xí)核心提供準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)樗惴▽?duì)輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求很高。例如，當(dāng)使用便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備的人移動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)會(huì)檢測(cè)到人體運(yùn)動(dòng)，并取消或更正傳感器捕獲的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此，ST1VAFE3BX是業(yè)內(nèi)首次把生物傳感、慣性傳感器和人工智能融合在一起，跟蹤大腦功能、心率、心電信號(hào)以及手或眼運(yùn)動(dòng)，為新型產(chǎn)品上市打開了大門。
這次整合的成果是什么?
ST1VAFE3BX 發(fā)布后，一些 ST 合作伙伴開始采用這款新器件開發(fā)新產(chǎn)品，并表示它是在可穿戴設(shè)備中開發(fā)手勢(shì)識(shí)別、心率監(jiān)測(cè)、認(rèn)知性能和神經(jīng)健康檢測(cè)應(yīng)用的絕佳解決方案。這一技術(shù)進(jìn)步讓他們可以顯著增強(qiáng)產(chǎn)品的功能性和用戶體驗(yàn)。
ST1VAFE3BX，生物傳感與超低功耗兼?zhèn)?/strong>
超低功耗是什么意思?
在模擬前端vAFE 和加速度計(jì)同時(shí)開啟的高性能模式，ST1VAFE3BX的功耗為 50 μA。相比之下，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的解決方案的整體功耗是ST1VAFE3BX的六倍或更高。此外，ST1VAFE3BX 的有限狀態(tài)機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)核心可以連續(xù)低功耗運(yùn)行。人工智能在傳感器上運(yùn)行與在主微控制器上運(yùn)行相比，前者的耗電量低很多，從而延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間，并提高了系統(tǒng)整體能效。相反，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手必須在微控制器上運(yùn)行所有推理運(yùn)算，微控制器必須保持始終開啟狀態(tài)。通常情況下，為了實(shí)用，產(chǎn)品外形尺寸必須保持小巧，這意味著電池容量會(huì)更小，所以整體設(shè)計(jì)就需要更加注重節(jié)能。
超低功耗生物傳感器有何作用?
采用內(nèi)置 ST1VAFE3BX 的 SensorTile.box PRO板開發(fā)的便攜式心電監(jiān)測(cè)儀參考設(shè)計(jì)
除了宣布 ST1VAFE3BX 的問世之外，我們還展示了多個(gè)演示應(yīng)用方案，例如，ST用最新的設(shè)備開發(fā)了一個(gè)雙電極電路板，所有組件都安裝在 SensorTile.box PRO或?qū)I(yè)級(jí)的 MEMS 電路板 STEVAL-MKI109V3的上面。這可能是最簡(jiǎn)單、最快和最省錢的探索 ST1VAFE3BX功能的方法。用戶只需將兩個(gè)食指放在演示板上，ECG 應(yīng)用立即開始運(yùn)行。因此，在短短幾分鐘內(nèi)，就可以針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品測(cè)試這款新設(shè)備的各項(xiàng)功能。
用于ECG心電圖檢測(cè)的MKI109V3 和 ST1VAFE3BX開發(fā)板
客戶或工程院校的開發(fā)成果也展示了如何使用我們的生物傳感器。當(dāng)放置在人體胸部、手腕或頭部時(shí)，它可以測(cè)量心率變異性，以識(shí)別心理壓力和疲勞度等。當(dāng)與 IMU 結(jié)合使用時(shí)，ST1VAFE3BX 可以幫助創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員是否有腦震蕩風(fēng)險(xiǎn)的健康系統(tǒng)。除了典型的心電圖外，該傳感器還可以用于腦電圖 (EEG)、心震圖 (SCG) 和神經(jīng)電圖 (ENG)。
該行業(yè)的樂觀前景?
不難看出 ，ST1VAFE3BX 將徹底改變醫(yī)療健康可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的未來，在這個(gè)市場(chǎng)中，效率與創(chuàng)新相互交融。我們的這款設(shè)備不單單是一個(gè)傳感器，它更是健康監(jiān)測(cè)和活動(dòng)追蹤的綜合性解決方案，集精準(zhǔn)度、集成性與高效性于一身，為個(gè)人監(jiān)測(cè)設(shè)備樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)。
專家們都知道，在一款新設(shè)備的生命周期如此早期就能看到這么多概念驗(yàn)證是很罕見的。事實(shí)上，鑒于已經(jīng)涌現(xiàn)出的應(yīng)用數(shù)量之多，顯然ST1VAFE3BX的意義遠(yuǎn)超一款商用生物傳感器。在效率提升的背后，蘊(yùn)藏著一個(gè)充滿諸多可能性的全新世界。這就是為什么我們也在努力讓合作伙伴對(duì)隱私和安全問題保持敏感的原因。意法半導(dǎo)體(ST)認(rèn)識(shí)到這種追蹤非常私人化信息的能力背后所蘊(yùn)含的潛力。因此，我們正在與合作伙伴探討，并將與業(yè)界合作，推進(jìn)生物數(shù)據(jù)安全和用戶隱私的保護(hù)行動(dòng)。
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