充分發(fā)揮未來可穿戴醫(yī)療設(shè)備的技巧

總有一天，可佩戴的便攜式醫(yī)療設(shè)備將在我們的日常生活中隨處可見。事實(shí)上，我們不會(huì)再將它們視為“設(shè)備”，而是更在意它們提供的各種服務(wù)。隨著無線連接的持續(xù)發(fā)展，以及醫(yī)療行業(yè)向門診服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變，設(shè)備開發(fā)者如果能夠提前預(yù)測(cè)到未來需求并充分加以利用，則將迎來真正的機(jī)遇。

當(dāng)然，設(shè)備開發(fā)者必須滿足非常嚴(yán)格的制造要求。可穿戴醫(yī)療設(shè)備必須外形小巧，能夠持續(xù)保持連接，并且具有較長的電池續(xù)航時(shí)間。它們將能在設(shè)備內(nèi)提供更多計(jì)算資源。市場(chǎng)競爭日趨復(fù)雜且日益激烈，而設(shè)備開發(fā)者必須在這樣的市場(chǎng)中生存下來。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，設(shè)備開發(fā)者必須構(gòu)建快速、靈活、輕巧而又具成本效益的平臺(tái)(圖 1)。

圖 1： 軟件平臺(tái)必須覆蓋所有非應(yīng)用程序特定代碼。

設(shè)備外形

可穿戴醫(yī)療設(shè)備分為兩大類：一次性設(shè)備以及可重復(fù)使用設(shè)備。一次性設(shè)備屬于相對(duì)較新的市場(chǎng)領(lǐng)域，由于這些設(shè)備的產(chǎn)品壽命相對(duì)較短，因此其發(fā)展較為快速。相反，可重復(fù)使用設(shè)備則要求更長的產(chǎn)品壽命和更高的安全性，以及很高的可靠性系數(shù)。

驅(qū)動(dòng)一次性設(shè)備發(fā)展的模式是薄利高產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，一次性設(shè)備必須讓資源最有限的處理器提供最多的功能。為了最大程度提高收入，設(shè)備開發(fā)者通常會(huì)針對(duì)最終用戶群體提供一系列產(chǎn)品，以價(jià)格換取功能。為產(chǎn)品的每項(xiàng)功能編寫應(yīng)用程序的做法不太合算。

因此，必須構(gòu)建一個(gè)通用軟件環(huán)境，既可支持單種應(yīng)用程序，也能夠在各種計(jì)算資源之間無縫遷移。此類環(huán)境必須能夠壓縮到最精簡的系統(tǒng)，它們通常只提供很少的存儲(chǔ)器資源，但能夠進(jìn)行擴(kuò)展以支持更加豐富的功能。

可重復(fù)使用設(shè)備市場(chǎng)向設(shè)備開發(fā)者提出了一系列不同的挑戰(zhàn)。設(shè)備制造商向市場(chǎng)提供的主要增值是最終客戶使用的處理器不再是臨時(shí)性質(zhì)的。半導(dǎo)體供應(yīng)商支持的設(shè)備生命周期存在很大差異。醫(yī)療行業(yè)客戶通常不希望產(chǎn)品更換周期達(dá)到十年甚至更長。要消除這種沖突，并且維持必要的應(yīng)用程序代碼生命周期以保持盈利，就要設(shè)計(jì)穩(wěn)定的編程 API，而不是特定的處理器設(shè)備。

連接選項(xiàng)

我們一直都有能力制造出足夠小巧、便于佩戴的設(shè)備。當(dāng)前設(shè)備與以往設(shè)備的區(qū)別在于是否能提供全球連接——包括直接連接到互聯(lián)網(wǎng)或云，或者連接到本地中間設(shè)備(可穿戴醫(yī)療設(shè)備與用戶的智能手機(jī)配對(duì))，再通過中間設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。這種連接可能是間斷的(使用無線連接或臨時(shí)的有線連接)，也可能是持續(xù)的(使用某一種無線選項(xiàng))。

有線選項(xiàng)是成本最低的連接方式，但卻最不靈活。不過，對(duì)于低成本設(shè)備而言，它們?nèi)匀皇强尚械慕鉀Q方案。當(dāng)通過有線鏈路連接到可穿戴系統(tǒng)供應(yīng)商提供的另一部設(shè)備時(shí)，可以使用極其簡單的連接方法，例如 SPI 和 I2C。相反，當(dāng)連接到通用的計(jì)算設(shè)備時(shí)，則需要使用更為開放的標(biāo)準(zhǔn)，例如 USB。使用過這些不同連接方法的工程師知道，USB 和其他簡單連接方法的協(xié)議復(fù)雜性相差很遠(yuǎn)。連接選項(xiàng)很可能在設(shè)備生命周期內(nèi)變化，甚至在開發(fā)周期內(nèi)變化。操作環(huán)境應(yīng)該能夠最有效地將應(yīng)用程序?qū)优c底層連接方法隔離開。

然而，未來的可穿戴醫(yī)療設(shè)備的趨勢(shì)是使用無線連接方式。雖然 USB 是比 SPI 更加復(fù)雜的協(xié)議，但各種不同的無線連接選項(xiàng)遠(yuǎn)比 USB 復(fù)雜得多，特別是在涉及安全性時(shí)。無線連接方法包括近場(chǎng)無線電、藍(lán)牙/BLE、Wi-Fi，以及蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(圖 2)。在這些無線連接方面，技術(shù)、協(xié)議和選項(xiàng)都在快速變化。更加重要的是，這些系統(tǒng)的成本也會(huì)發(fā)生變化，雖然在當(dāng)前看來，這些解決方案似乎過于昂貴，但在今后很可能成為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)哟a可以維持很長的生命周期時(shí)。

圖 2：無線連接選項(xiàng)豐富多樣而又在不斷變化。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 環(huán)境具有 SPI 級(jí)別接口，當(dāng)前能夠應(yīng)用于最精簡的設(shè)備中，并且能夠?qū)崿F(xiàn)向全蜂窩連接的遷移(無論是整個(gè)產(chǎn)品系列還是產(chǎn)品生命周期)，它們無疑能夠讓可佩戴醫(yī)療設(shè)備 OEM 廠商適應(yīng)可能出現(xiàn)的任何形勢(shì)。

電源要求

可穿戴醫(yī)療設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間顯然是一大關(guān)鍵要素。對(duì)于人們隨身攜帶或佩戴的任何設(shè)備而言，重量始終都是一個(gè)倍受關(guān)注的指標(biāo)，而電池又是所有便攜式設(shè)備中的最笨重部件。最大程度地減少功耗可以延長電池續(xù)航時(shí)間，但對(duì)于整天甚至夜間都要使用設(shè)備的用戶來說，光做到這一點(diǎn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在大幅降低電源需求的同時(shí)，還要最大程度地減小電池尺寸。智能手機(jī)等設(shè)備采用特定尺寸的電池，由電池提供特定的電量。而這一參數(shù)通常是固定不變的，因此只需達(dá)到一定的電池充電續(xù)航時(shí)間，就能滿足客戶的需求。但可穿戴醫(yī)療設(shè)備并非如此。當(dāng)電池充電續(xù)航時(shí)間確定之后，必須不斷地降低功耗，因?yàn)槊看谓档凸亩寄苓M(jìn)一步減小電池尺寸和重量。

當(dāng)前的現(xiàn)代處理器提供了一系列有效的節(jié)能功能。遺憾的是，這些功能非常復(fù)雜，不僅功能之間通常具有很高的相互依賴性，而且其還要依賴與要實(shí)施的特定節(jié)能模式不相關(guān)的系統(tǒng)部件。例如，更改器件時(shí)鐘頻率會(huì)影響通信時(shí)鐘速率，即便通信外圍設(shè)備沒有更改它們的電源狀態(tài)也是如此。所有這些因素累加起來，也就讓應(yīng)用程序開發(fā)人員更加不堪重負(fù)，因?yàn)樗麄冊(cè)揪统袚?dān)了完成目標(biāo)應(yīng)用的重任。能否讓電池提供更高的電量，將決定設(shè)備在市場(chǎng)上的競爭力。設(shè)備開發(fā)者面臨著雙重壓力，既要讓軟件達(dá)到或超出應(yīng)用程序要求，又要兼顧項(xiàng)目的外圍設(shè)備的尺寸，這樣才能在市場(chǎng)上立足。

圖 3：功率優(yōu)化涉及到所有可穿戴設(shè)備元器件。

要解決這個(gè)問題，就需要在集成了電源管理功能并將其作為環(huán)境必不可少的一部分的軟件平臺(tái)上開發(fā)應(yīng)用程序(圖 3)。大部分大型通用操作系統(tǒng)都包括一系列非常先進(jìn)的電源管理功能;但是，這些操作系統(tǒng)在面向便攜式醫(yī)療設(shè)備的處理設(shè)備中并不能發(fā)揮作用。大部分實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都提供某種形式的電源管理，最常見的是 Tick 抑制，當(dāng)沒有計(jì)劃運(yùn)行的任務(wù)時(shí)，它將中斷內(nèi)核周期性定時(shí)器 Tick，直至下一個(gè)定時(shí)器事件?？纱┐髟O(shè)備需要其他更為復(fù)雜的方法，而這樣的方法在 RTOS 中非常罕見。目前只有Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS 可提供對(duì)所有器件節(jié)能功能的內(nèi)置支持，包括動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整 (DVFS)，以及對(duì)外圍設(shè)備之間所有交互的外圍設(shè)備功率級(jí)別的完全控制和對(duì)內(nèi)核操作時(shí)鐘周期的完全控制(圖 4)。

圖 4： 結(jié)構(gòu)化電源框架優(yōu)化開發(fā)工作。

尺寸限制

為了適應(yīng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的物理外形參數(shù)，電子設(shè)備能夠容納元器件的空間很小，散熱能力也比較有限。散熱問題和功耗問題一直都是我們?cè)谂鉀Q的兩大問題。由于物理尺寸限制，導(dǎo)致我們通常選擇MCU 片上系統(tǒng) (SoC) 作為內(nèi)核處理引擎。雖然這些設(shè)備可以容納很多不同尺寸的外圍設(shè)備，但由于存儲(chǔ)器容量問題，我們無法控制存儲(chǔ)器的幾何形狀。每個(gè)應(yīng)用程序都需要更多存儲(chǔ)空間。而小型設(shè)備中的存儲(chǔ)器，包括易失性和非易失性存儲(chǔ)器，更是如此。設(shè)備開發(fā)者最不希望看到的就是應(yīng)用程序與 RTOS 爭奪資源。正是這個(gè)問題妨礙了通用操作系統(tǒng)進(jìn)入可穿戴醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域?？紤]采用某個(gè) RTOS 時(shí)，它必須能夠在代碼和數(shù)據(jù)需求方面都?jí)嚎s到最小，以完美貼合 2K 精簡內(nèi)核，如此就更能夠在最為低端的設(shè)備領(lǐng)域中經(jīng)久不衰。這個(gè) RTOS 還必須能夠擴(kuò)展，以運(yùn)行功能最全面的服務(wù)，例如蜂窩移動(dòng)通信。如果做不到，設(shè)備開發(fā)者必須嘗試支持跨越多個(gè)操作系統(tǒng)環(huán)境的應(yīng)用程序。

實(shí)施與產(chǎn)品

有些人還記得，在 PC 革命興起初期，廣告商、營銷人員和科技雜志關(guān)注的焦點(diǎn)是時(shí)鐘速度、總線大小和其他技術(shù)細(xì)節(jié)。現(xiàn)代設(shè)備的唯一判定標(biāo)準(zhǔn)是終端用戶體驗(yàn)。有些開發(fā)者在工程方面取得了重大突破，讓腕帶能夠運(yùn)行大量指令，這可能是在同行之間夸耀的資本，但并非決定性的因素。這就迫使設(shè)備開發(fā)者必須用最少的硬件提供最豐富的功能。無論是最小的存儲(chǔ)器、最慢的時(shí)鐘(設(shè)備限制或?qū)嶋H使用)，還是體積最小的電池，工程師都能夠在設(shè)備中(很多情況下是一次性設(shè)備)提供神奇的功能。

結(jié)論

當(dāng)今的市場(chǎng)需要更為復(fù)雜多樣、物超所值而又先進(jìn)的底層硬件，要在這樣的市場(chǎng)上生存下來，應(yīng)用程序必須在功能強(qiáng)大且非常靈活的平臺(tái)上運(yùn)行。這種平臺(tái)必須非常精簡，同時(shí)還能夠優(yōu)化特定硬件特性。這種平臺(tái)不再完全取決于處理架構(gòu)或外圍設(shè)備集合，還要取決于它為開發(fā)者提供的編程環(huán)境。滿足這些條件的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，例如 Windows、Android、iOS、Linux 等操作系統(tǒng)，超出了最低硬件要求的底限。一旦超出這些底限，則無法滿足可穿戴醫(yī)療設(shè)備在價(jià)格、電源和物理限制方面的要求。因此，我們需要具有高適應(yīng)性和可擴(kuò)展性的 RTOS 環(huán)境，用以取代裸機(jī)系統(tǒng)，滿足對(duì)功能全面的低端操作系統(tǒng)的需求。