如何從可穿戴設(shè)備過(guò)渡到醫(yī)療設(shè)備?

人口正在老化，越來(lái)越多的人需要健康支持，這給醫(yī)療保健整體支出帶來(lái)巨大影響。有鑒于此，政府部門和健康保險(xiǎn)企業(yè)愈來(lái)愈強(qiáng)調(diào)預(yù)防、健康意識(shí)和生活方式。一般而言，這不只是關(guān)于實(shí)行更多或更好的營(yíng)養(yǎng)攝入計(jì)劃，而是更關(guān)注監(jiān)測(cè)某些重要身體參數(shù)。正因如此，從事智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司近年來(lái)營(yíng)收明顯增長(zhǎng)。

買一塊健康手表并監(jiān)測(cè)身體參數(shù)，并不意味著您生活得更健康。健康生活的秘訣在于通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)某些身體參數(shù)來(lái)更熟悉這些數(shù)值并加以利用，進(jìn)而調(diào)整自己每天的生活以變得更為健康。這個(gè)過(guò)程可幫助您了解身體如何工作，以及如何降低長(zhǎng)期健康成本。

本文圍繞ADI公司的可穿戴VSM平臺(tái)而撰寫，該平臺(tái)如圖1所示。ADI公司不是最終產(chǎn)品制造商。此平臺(tái)旨在提供一個(gè)參考，幫助電子設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師加快開發(fā)過(guò)程，為專業(yè)和醫(yī)療市場(chǎng)設(shè)計(jì)出更新、更智能、更精確的可穿戴設(shè)備。

圖1. ADI公司最新第二代可穿戴VSM平臺(tái)

通過(guò)可穿戴設(shè)備可測(cè)量各類重要身體參數(shù)。根據(jù)總體目標(biāo)，測(cè)量某些參數(shù)比測(cè)量其他參數(shù)會(huì)更重要?？纱┐髟O(shè)備在身體上的位置在很大程度上決定了哪些參數(shù)可以測(cè)量，哪些不能測(cè)量。最明顯的位置是手腕。我們已習(xí)慣于在手腕上戴個(gè)物件，所以市場(chǎng)上有很多智能手表和腕戴設(shè)備之類的產(chǎn)品。除在手腕上進(jìn)行測(cè)量以外，頭部也是佩戴可穿戴設(shè)備的好地方。例如，各式各樣的頭戴式耳機(jī)和耳塞中含有嵌入式傳感器，用來(lái)測(cè)量心率、氧飽和度、溫度等參數(shù)。身體上適合可穿戴設(shè)備的第三個(gè)好位置是胸部。第一代心率監(jiān)護(hù)儀就是設(shè)計(jì)在胸帶上，這種生物電位測(cè)量原理至今仍是非常精確的技術(shù)。現(xiàn)在，我們傾向于使用胸貼，因?yàn)樾貛Т┐髌饋?lái)不是很舒服。已有多家制造商設(shè)計(jì)智能胸貼以監(jiān)控重要身體參數(shù)。

根據(jù)身體位置，我們不僅要選擇哪些參數(shù)可以測(cè)量，還要選擇使用何種技術(shù)。對(duì)于心率測(cè)量，生物電位測(cè)量是最古老的技術(shù)之一。其信號(hào)很強(qiáng)，利用兩個(gè)或更多電極便可從身體中輕松獲取。針對(duì)此方法，將電路集成在胸帶或耳機(jī)中再好不過(guò)。然而，在腕部等單一點(diǎn)處測(cè)量生物電位信號(hào)幾乎不可能。必須在產(chǎn)生電信號(hào)的心臟周圍測(cè)量。針對(duì)單點(diǎn)測(cè)量，光技術(shù)更合適。將光線射入組織中，捕捉并測(cè)量動(dòng)脈中血流對(duì)光線的反射信號(hào)。從接收到的光信號(hào)可獲知逐搏心跳信息。該技術(shù)看似相當(dāng)直截了當(dāng)，但事實(shí)上存在多項(xiàng)挑戰(zhàn)和影響因素會(huì)使設(shè)計(jì)變得困難，比如運(yùn)動(dòng)和環(huán)境光線。

ADI公司第二代可穿戴設(shè)備參考平臺(tái)集成了上述大部分技術(shù)。該設(shè)備設(shè)計(jì)戴在手腕上，但您也可以去除軟帶，將設(shè)備貼在身體上，用作智能貼片。該設(shè)備包含支持生物電位測(cè)量、光學(xué)心率測(cè)量、生物阻抗測(cè)量、運(yùn)動(dòng)跟蹤、溫度測(cè)量的技術(shù)，它們?nèi)技稍谝粋€(gè)微型電池供電設(shè)備中。

ADI公司為什么設(shè)計(jì)一個(gè)類似第二代手表的系統(tǒng)？此類系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠輕松測(cè)量身體的多個(gè)重要參數(shù)。該設(shè)備可同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)并將結(jié)果存儲(chǔ)在SD卡上，或通過(guò)BLE無(wú)線連接發(fā)送到智能設(shè)備。由于測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行，因此它也有助于發(fā)現(xiàn)多個(gè)測(cè)量之間的相關(guān)性。生物醫(yī)療工程師、算法提供商和企業(yè)家不斷尋找新技術(shù)、應(yīng)用和使用場(chǎng)景以期及早檢測(cè)疾病，避免其發(fā)展到晚期，盡量降低疾病對(duì)身體的不利影響或損害。

ADI公司的最新可穿戴系統(tǒng)是一款鮮有的設(shè)備，其中整合了嵌入式傳感器、處理能力和無(wú)線通信。

該光學(xué)系統(tǒng)圍繞光學(xué)模擬前端ADPD107而構(gòu)建。它利用綠光LED測(cè)量PPG和心率，并集成紅外LED以檢測(cè)設(shè)備是否貼附到人體上。兩個(gè)AD8233模擬前端支持生物電位ECG測(cè)量。一個(gè)前端連接到設(shè)備中嵌入的電極。一個(gè)電極位于設(shè)備背面，接觸身體的一肢；第二個(gè)電極位于設(shè)備正面，可被另一肢（手）接觸以形成閉合回路。第二個(gè)模擬前端可以用來(lái)配合外部電極測(cè)量ECG。用戶可以像智能貼片一樣穿戴該設(shè)備，并將外部電極直接連到胸部。設(shè)備背面的電極有雙重功能。除ECG測(cè)量外，其還可用于皮膚電活動(dòng)(EDA)測(cè)量。EDA或皮膚電反應(yīng)(GSR)與皮膚電導(dǎo)率有關(guān)，而內(nèi)部或外部刺激引起的情緒變化會(huì)改變皮膚電導(dǎo)率。第二代手表能夠檢測(cè)這種微小的電導(dǎo)率變化。電路基于此測(cè)量原理而構(gòu)建，包括發(fā)射和接收信號(hào)鏈，完全采用分立器件。其精度非常高，而功耗極小。最后同樣重要的是，它還集成了用于測(cè)量皮膚溫度的溫度傳感器和一個(gè)3軸超低功耗MEMS傳感器(ADXL362)。MEMS傳感器能跟蹤運(yùn)動(dòng)，所以可用于繪制運(yùn)動(dòng)曲線，同時(shí)還能補(bǔ)償其他測(cè)量中運(yùn)動(dòng)引起的偽像。運(yùn)動(dòng)無(wú)論何時(shí)都是一個(gè)重要參數(shù)，包括心率、SPO2和呼吸速率在內(nèi)的多個(gè)重要參數(shù)十分依賴于活動(dòng)，所以必須測(cè)量身體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)您慢跑時(shí)，140 bpm的心率沒(méi)問(wèn)題，但如果您是坐在沙發(fā)上休息而測(cè)得140 bpm的心率，那么您可能需要擔(dān)心了。通過(guò)合并不同傳感器信號(hào)，還可以支持新型應(yīng)用。

設(shè)備中集成了超低功耗ADuCM3029 以收集傳感器數(shù)據(jù)并運(yùn)行算法。圖2展示了傳感器板上集成的器件。

圖2. 傳感器板第二代手表平臺(tái)

心率需要ECG或PPG測(cè)量，因此不用合并傳感器輸出，除非希望補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)造成的偽像。需要多種測(cè)量的使用情形包括壓力管理和連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)。情緒狀態(tài)可通過(guò)監(jiān)控皮膚電導(dǎo)率變化來(lái)測(cè)量。這只是一個(gè)參數(shù)，但如果將它與其他參數(shù)合并監(jiān)測(cè)，比如心率和心率變異(HRV)，那么測(cè)量值將提高很多。還可以包括皮膚溫度，作為額外的壓力測(cè)量輸入。另一個(gè)有意義的使用情形是血壓監(jiān)控。這是一個(gè)非常重要的參數(shù)，大部分系統(tǒng)是基于袖帶的，很難集成到可穿戴式連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)中。但是，某些技術(shù)無(wú)需袖帶便可測(cè)量血壓。有一種技術(shù)利用脈搏波傳輸時(shí)間(PTT)，即測(cè)量R波上心臟收縮時(shí)刻到脈搏到達(dá)手指時(shí)刻的動(dòng)脈PTT信號(hào)。此傳輸時(shí)間與血壓直接相關(guān)。圖3顯示了ECG和PPG的組合測(cè)量。該手表可用于執(zhí)行此測(cè)量，因?yàn)樗瑫r(shí)支持ECG和PPG測(cè)量。

圖3. ECG測(cè)量與PPG結(jié)合

第二代手表在一個(gè)小型可穿戴設(shè)備中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設(shè)計(jì)外，還考慮了許多機(jī)械設(shè)計(jì)方面。這使得該平臺(tái)對(duì)聚焦于半專業(yè)和專業(yè)市場(chǎng)及醫(yī)療市場(chǎng)的設(shè)計(jì)公司和設(shè)備制造商極具吸引力。多個(gè)參數(shù)可以同時(shí)測(cè)量，但算法需要助力應(yīng)用并支持使用場(chǎng)景。此設(shè)備將能讓開發(fā)商和設(shè)備制造商快速啟動(dòng)開發(fā)流程，無(wú)需驗(yàn)證算法或在測(cè)試前構(gòu)建原型。第二代手表供貨數(shù)量有限，ADI公司非常有興趣與設(shè)計(jì)公司和算法提供商合作，開發(fā)可出售給專業(yè)看護(hù)和醫(yī)療保險(xiǎn)公司的先進(jìn)系統(tǒng)。某些特性已經(jīng)滿足醫(yī)療要求，其他特性尚待改進(jìn)，但ADI公司無(wú)疑已走在正確的道路上。