如何從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備?

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企業(yè)愈來愈強調(diào)預(yù)防、健康意識和生活方式。一般而言，這不只是關(guān)于實行更多或更好的營養(yǎng)攝入計劃，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，進而調(diào)整自己每天的生活以變得更為健康。這個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公司的可穿戴VSM平臺而撰寫，該平臺如圖1所示。ADI公司不是最終產(chǎn)品制造商。此平臺旨在提供一個參考，幫助電子設(shè)計人員和系統(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

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，測量某些參數(shù)比測量其他參數(shù)會更重要?？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。我們已習慣于在手腕上戴個物件，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)備的第三個好位置是胸部。第一代心率監(jiān)護儀就是設(shè)計在胸帶上，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，因為胸帶穿戴起來不是很舒服。已有多家制造商設(shè)計智能胸貼以監(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)可以測量，還要選擇使用何種技術(shù)。對于心率測量，生物電位測量是最古老的技術(shù)之一。其信號很強，利用兩個或更多電極便可從身體中輕松獲取。針對此方法，將電路集成在胸帶或耳機中再好不過。然而，在腕部等單一點處測量生物電位信號幾乎不可能。必須在產(chǎn)生電信號的心臟周圍測量。針對單點測量，光技術(shù)更合適。將光線射入組織中，捕捉并測量動脈中血流對光線的反射信號。從接收到的光信號可獲知逐搏心跳信息。該技術(shù)看似相當直截了當，但事實上存在多項挑戰(zhàn)和影響因素會使設(shè)計變得困難，比如運動和環(huán)境光線。

ADI公司第二代可穿戴設(shè)備參考平臺集成了上述大部分技術(shù)。該設(shè)備設(shè)計戴在手腕上，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、光學心率測量、生物阻抗測量、運動跟蹤、溫度測量的技術(shù)，它們?nèi)技稍谝粋€微型電池供電設(shè)備中。

ADI公司為什么設(shè)計一個類似第二代手表的系統(tǒng)？此類系統(tǒng)的目標是能夠輕松測量身體的多個重要參數(shù)。該設(shè)備可同時測量多個參數(shù)并將結(jié)果存儲在SD卡上，或通過BLE無線連接發(fā)送到智能設(shè)備。由于測量是同時進行，因此它也有助于發(fā)現(xiàn)多個測量之間的相關(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、處理能力和無線通信。

該光學系統(tǒng)圍繞光學模擬前端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AD8233模擬前端支持生物電位ECG測量。一個前端連接到設(shè)備中嵌入的電極。一個電極位于設(shè)備背面，接觸身體的一肢；第二個電極位于設(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(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3軸超低功耗MEMS傳感器(ADXL362)。MEMS傳感器能跟蹤運動，所以可用于繪制運動曲線，同時還能補償其他測量中運動引起的偽像。運動無論何時都是一個重要參數(shù)，包括心率、SPO2和呼吸速率在內(nèi)的多個重要參數(shù)十分依賴于活動，所以必須測量身體運動。當您慢跑時，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，那么您可能需要擔心了。通過合并不同傳感器信號，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

心率需要ECG或PPG測量，因此不用合并傳感器輸出，除非希望補償運動造成的偽像。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。另一個有意義的使用情形是血壓監(jiān)控。這是一個非常重要的參數(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)利用脈搏波傳輸時間(PTT)，即測量R波上心臟收縮時刻到脈搏到達手指時刻的動脈PTT信號。此傳輸時間與血壓直接相關(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，因為它同時支持ECG和PPG測量。

圖3. ECG測量與PPG結(jié)合

第二代手表在一個小型可穿戴設(shè)備中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設(shè)計外，還考慮了許多機械設(shè)計方面。這使得該平臺對聚焦于半專業(yè)和專業(yè)市場及醫(yī)療市場的設(shè)計公司和設(shè)備制造商極具吸引力。多個參數(shù)可以同時測量，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)備制造商快速啟動開發(fā)流程，無需驗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)計公司和算法提供商合作，開發(fā)可出售給專業(yè)看護和醫(yī)療保險公司的先進系統(tǒng)。某些特性已經(jīng)滿足醫(yī)療要求，其他特性尚待改進，但ADI公司無疑已走在正確的道路上。