【導(dǎo)讀】人口正在老化,越來越多的人需要健康支持,這給醫(yī)療保健整體支出帶來巨大影響、有鑒于此,政府部門和健康保險(xiǎn)企業(yè)愈 來愈強(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)行更多或更好的營養(yǎng)攝入計(jì)劃,而是更關(guān)注監(jiān)測某些重要身體參數(shù)、正因如此,從事智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司近年來營收明顯增長。
簡介
人口正在老化,越來越多的人需要健康支持,這給醫(yī)療保健整體支出帶來巨大影響、有鑒于此,政府部門和健康保險(xiǎn)企業(yè)愈 來愈強(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)行更多或更好的營養(yǎng)攝入計(jì)劃,而是更關(guān)注監(jiān)測某些重要身體參數(shù)、正因如此,從事智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司近年來營收明顯增長。
買一塊健康手表并監(jiān)測身體參數(shù)，并不意味著您生活得更健康。健康生活的秘訣在于通過長期監(jiān)測某些身體參數(shù)來更熟悉這些數(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)過程可幫助您了解身體如何工作，以及如何降低長期健康成本。
本文圍繞ADI公司最新可穿戴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)過程，為專業(yè)和醫(yī)療市場設(shè)計(jì)出更新、更智能、更精確的可穿戴設(shè)備。
測量什么、如何測量及在哪里測量
通過可穿戴設(shè)備可測量各類重要身體參數(shù)。根據(jù)總體目標(biāo)，測量某些參數(shù)比測量其他參數(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)可以測量，哪些不能測量。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，用來測量心率、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，這種生物電位測量原理至今仍是非常精確的技術(shù)?，F(xiàn)在，我們傾向于使用胸貼，因?yàn)樾貛Т┐髌饋聿皇呛苁娣?。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)。
圖1. ADI公司最新第二代可穿戴VSM平臺(tái)根據(jù)身體位置
ADI公司最新第二代可穿戴VSM平臺(tái)根據(jù)身體位置，我們不僅要選擇哪些參數(shù)可以測量，還要選擇使用何種技術(shù)。對(duì)于心率測量，生物電位測量是最古老的技術(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。然而，在腕部等單一點(diǎn)處測量生物電位信號(hào)幾乎不可能。必須在產(chǎn)生電信號(hào)的心臟周圍測量。針對(duì)單點(diǎn)測量，光技術(shù)更合適。將光線射入組織中，捕捉并測量動(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量、光學(xué)心率測量、生物阻抗測量、運(yùn)動(dòng)跟蹤、溫度測量的技術(shù)，它們?nèi)技稍谝粋€(gè)微型電池供電設(shè)備中。
總體目標(biāo)
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)是能夠輕松測量身體的多個(gè)重要參數(shù)。該設(shè)備可同時(shí)測量多個(gè)參數(shù)并將結(jié)果存儲(chǔ)在SD卡上，或通過BLE無線連接發(fā)送到智能設(shè)備。由于測量是同時(shí)進(jìn)行，因此它也有助于發(fā)現(xiàn)多個(gè)測量之間的相關(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)用和使用場景以期及早檢測疾病，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。
單一測量不能說明任何問題
ADI公司的最新可穿戴系統(tǒng)是一款獨(dú)一無二的設(shè)備，其中整合了嵌入式傳感器、處理能力和無線通信。
圖2. 傳感器板第二代手表平臺(tái)該光學(xué)系統(tǒng)圍繞光學(xué)模擬前端ADPD107而構(gòu)建。
傳感器板第二代手表平臺(tái)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測量PPG和心率，并集成紅外LED以檢測設(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)模擬前端可以用來配合外部電極測量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測量外，其還可用于皮膚電活動(dòng)(EDA)測量。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這種微小的電導(dǎo)率變化。電路基于此測量原理而構(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)償其他測量中運(yùn)動(dòng)引起的偽像。運(yùn)動(dòng)無論何時(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)，所以必須測量身體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)您慢跑時(shí)，140 bpm的心率沒問題，但如果您是坐在沙發(fā)上休息而測得140 bpm的心率，那么您可能需要擔(dān)心了。通過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。
壓力和連續(xù)血壓
心率需要ECG或PPG測量，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。需要多種測量的使用情形包括壓力管理和連續(xù)血壓監(jiān)測。情緒狀態(tài)可通過監(jiān)控皮膚電導(dǎo)率變化來測量。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，比如心率和心率變異(HRV)，那么測量值將提高很多。還可以包括皮膚溫度，作為額外的壓力測量輸入。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)無需袖帶便可測量血壓。有一種技術(shù)利用脈搏波傳輸時(shí)間(PTT)，即測量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的組合測量。該手表可用于執(zhí)行此測量，因?yàn)樗瑫r(shí)支持ECG和PPG測量。
圖3. ECG測量與PPG結(jié)合
原型到產(chǎn)品
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)市場及醫(yī)療市場的設(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)測量，但算法需要助力應(yīng)用并支持使用場景。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，無需驗(yàn)證算法或在測試前構(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公司無疑已走在正確的道路上。
作者簡介
Jan-Hein Broeders是ADI公司負(fù)責(zé)歐洲、中東和非洲業(yè)務(wù)的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場領(lǐng)先的線性和轉(zhuǎn)換器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理與電源產(chǎn)品。
Jan-Hein 20年前開始投身半導(dǎo)體行業(yè)，擔(dān)任Burr-Brown模擬現(xiàn)場應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)Benelux和Scandinavia。在德州儀器收購Burr-Brown五年后，他加入ADI公司，擔(dān)任飛利浦全球現(xiàn)場應(yīng)用工程師(FAE)。自2008年起，他開始從事目前的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)開發(fā)工作。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。
詳見
3.從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備.pdf
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