個(gè)人保健與峰值體能訓(xùn)練因技術(shù)進(jìn)步而得以簡(jiǎn)化

圖4：?jiǎn)涡酒}搏血氧計(jì)設(shè)計(jì)方框圖

呼吸波形測(cè)量

有幾種方法可適用于呼吸波形測(cè)量?；镜囊环N是采用配有傳感器（如壓電式元件）的可穿戴式胸帶。在一個(gè)吸氣與呼氣周期中，隨著胸腔的擴(kuò)張與收縮，壓電式元件將產(chǎn)生有效的信號(hào)電壓，此信號(hào)電壓可由簡(jiǎn)單的MCU進(jìn)行處理來(lái)計(jì)算呼吸率。

第二種方法是采用一個(gè)靠近鼻孔的小熱敏電阻來(lái)測(cè)量呼出的氣體溫度。但這對(duì)使用者個(gè)體而言存在一些不便，因而并不常用。不過(guò)，這種方法易于開(kāi)發(fā)，而且形成的系統(tǒng)可有助于計(jì)算個(gè)體所燃燒的卡路里。

第三種方法運(yùn)用了阻抗充氣造影術(shù)的原理。此類(lèi)裝置可采用一個(gè)MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)。50 kHz AC激勵(lì)信號(hào)的低電流（約幾個(gè)μA）通過(guò)兩個(gè)間隔6～8英寸放置的胸部電極傳送。該方法可采用MCU的其中一個(gè)脈寬調(diào)制 (PWM) 通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。胸部形成了用于該電流流動(dòng)的部分阻抗通路，胸部的阻抗會(huì)隨著肺部所含空氣量的不同而變化。這完全是由于吸氣與呼氣所產(chǎn)生的變化，因此可以容易地計(jì)算出呼吸波形和呼吸率。

另一種方法是從胸部EKG推導(dǎo)出呼吸波形，除了一個(gè)用于測(cè)量HRV的傳統(tǒng)EKG電極裝置以外，此方法不需要任何額外的電極。如果有一個(gè)現(xiàn)成的HRV系統(tǒng)，那么這種方法幾乎無(wú)需花錢(qián)就能實(shí)現(xiàn)。如圖5所示，上方的跡線(xiàn)是經(jīng)過(guò)放大和低通濾波的EKG信號(hào)。您會(huì)注意到QRS峰值中的幅度變化。這種變動(dòng)實(shí)際上是由因吸氣與呼氣造成的胸區(qū)傳導(dǎo)性 (thorax region conductivity) 變化所引起的。當(dāng)個(gè)體吸入空氣時(shí)，肺部會(huì)充滿(mǎn)空氣，進(jìn)而導(dǎo)致胸區(qū)的阻抗增加，從而產(chǎn)生較低幅度的EKG波形，反之亦然。如圖5中的下方跡線(xiàn)所示，采用簡(jiǎn)單的調(diào)幅 (AM) 解調(diào)方案能夠顯示呼吸波形。

圖5：從胸部EKG波形推導(dǎo)出呼吸波形。

MCU和MEMS傳感器

實(shí)際上，針對(duì)每一種健身方式都存在峰值體能應(yīng)用，包括諸如舉重、俯臥撐和體操鍛煉等活動(dòng)（見(jiàn)圖6）?？梢詫⒁恍㎝EMS加速計(jì)置于人體的關(guān)鍵部位上，如二頭肌、三頭肌、腹肌、腿筋等等，以獲得有關(guān)肌肉收縮與擴(kuò)張（因鍛煉所致）的測(cè)量和反饋結(jié)果。反過(guò)來(lái)，反饋可幫助個(gè)體調(diào)整鍛煉策略，以最大限度地增加肌肉微差移動(dòng) (muscle differential movements)。人們甚至有可能發(fā)現(xiàn)：自己多年使用的常規(guī)鍛煉方式根本不是最優(yōu)的。MEMS傳感器是EMG系統(tǒng)的一種上佳的替代方案。

圖6：MEMS人體局域網(wǎng)

EMG系統(tǒng)可提供相同的反饋，盡管這需要采用更加昂貴而且讓使用者感覺(jué)不舒服的裝置。此外，還可以將多個(gè)MEMS傳感器設(shè)計(jì)成一個(gè)無(wú)線(xiàn)貼片 (wireless patch) ，并可使其與諸如人體局域網(wǎng) (BAN) 等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

當(dāng)今的MEMS傳感器和RF無(wú)線(xiàn)技術(shù)正在個(gè)人保健與峰值體能應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟新的可能性。目前，在諸如穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和鍛煉反饋等應(yīng)用中已設(shè)計(jì)有慣性傳感器（如加速計(jì)和陀螺儀）。而定向傳感器（比如電子羅盤(pán)和全球定位系統(tǒng) [GPS]）的應(yīng)用實(shí)例則包括用于監(jiān)護(hù)和跟蹤老年癡呆癥患者的范圍內(nèi)監(jiān)測(cè) (in-range monitoring)、報(bào)警以及引導(dǎo)。

傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷技術(shù)已在生物反饋領(lǐng)域找到了新的用途。新式生物反饋設(shè)備兼具便攜性和低成本。此外，MEMS慣性傳感器（例如：加速計(jì)和陀螺儀）還實(shí)現(xiàn)了高級(jí)生物反饋技術(shù)。而且，無(wú)線(xiàn)技術(shù)（特別是在人體局域網(wǎng)應(yīng)用中）也在這一迅速崛起的生物反饋行業(yè)中催生了多種新產(chǎn)品。

作者：Murugavel Raju /德州儀器。Murugavel Raju是德州儀器公司（位于美國(guó)德克薩斯州達(dá)拉斯）MSP430 MCU業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)系統(tǒng)解決方案開(kāi)發(fā)的全球業(yè)務(wù)經(jīng)理。