個人保健與峰值體能訓(xùn)練因技術(shù)進步而得以簡化

圖4：單芯片脈搏血氧計設(shè)計方框圖

呼吸波形測量

有幾種方法可適用于呼吸波形測量。基本的一種是采用配有傳感器（如壓電式元件）的可穿戴式胸帶。在一個吸氣與呼氣周期中，隨著胸腔的擴張與收縮，壓電式元件將產(chǎn)生有效的信號電壓，此信號電壓可由簡單的MCU進行處理來計算呼吸率。

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

第三種方法運用了阻抗充氣造影術(shù)的原理。此類裝置可采用一個MCU來實現(xiàn)。50 kHz AC激勵信號的低電流（約幾個μA）通過兩個間隔6～8英寸放置的胸部電極傳送。該方法可采用MCU的其中一個脈寬調(diào)制 (PWM) 通道來實現(xiàn)。胸部形成了用于該電流流動的部分阻抗通路，胸部的阻抗會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，除了一個用于測量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。如果有一個現(xiàn)成的HRV系統(tǒng)，那么這種方法幾乎無需花錢就能實現(xiàn)。如圖5所示，上方的跡線是經(jīng)過放大和低通濾波的EKG信號。您會注意到QRS峰值中的幅度變化。這種變動實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。當個體吸入空氣時，肺部會充滿空氣，進而導(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中的下方跡線所示，采用簡單的調(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

實際上，針對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（見圖6）?？梢詫⒁恍㎝EMS加速計置于人體的關(guān)鍵部位上，如二頭肌、三頭肌、腹肌、腿筋等等，以獲得有關(guān)肌肉收縮與擴張（因鍛煉所致）的測量和反饋結(jié)果。反過來，反饋可幫助個體調(diào)整鍛煉策略，以最大限度地增加肌肉微差移動 (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不舒服的裝置。此外，還可以將多個MEMS傳感器設(shè)計成一個無線貼片 (wireless patch) ，并可使其與諸如人體局域網(wǎng) (BAN) 等系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

當今的MEMS傳感器和RF無線技術(shù)正在個人保健與峰值體能應(yīng)用領(lǐng)域開辟新的可能性。目前，在諸如穩(wěn)定性監(jiān)測和鍛煉反饋等應(yīng)用中已設(shè)計有慣性傳感器（如加速計和陀螺儀）。而定向傳感器（比如電子羅盤和全球定位系統(tǒng) [GPS]）的應(yīng)用實例則包括用于監(jiān)護和跟蹤老年癡呆癥患者的范圍內(nèi)監(jiān)測 (in-range monitoring)、報警以及引導(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：加速計和陀螺儀）還實現(xiàn)了高級生物反饋技術(shù)。而且，無線技術(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（位于美國德克薩斯州達拉斯）MSP430 MCU業(yè)務(wù)部負責系統(tǒng)解決方案開發(fā)的全球業(yè)務(wù)經(jīng)理。