從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備

人口正在老齡化，越來越多的人需要健康支持，這對(duì)醫(yī)療保健的總體支出產(chǎn)生了重大影響。由于這種情況，當(dāng)局和健康保險(xiǎn)公司更加重視預(yù)防、健康意識(shí)和生活方式。一般來說，這不僅僅是鍛煉更多或更好的營(yíng)養(yǎng)攝入量——對(duì)監(jiān)測(cè)某些重要的身體參數(shù)更感興趣。這就是為什么智能和健康手表業(yè)務(wù)的公司在過去幾年中收入增長(zhǎng)的原因。

購(gòu)買健康手表和測(cè)量身體參數(shù)并不意味著您活得更健康。健康生活的訣竅是，您長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)某些身體參數(shù)，以更熟悉這些數(shù)字，并利用它們來調(diào)整您的日常生活以改善健康狀況。這個(gè)過程可以幫助您更好地了解身體的運(yùn)作方式以及如何長(zhǎng)期降低健康成本。

本文圍繞ADI公司最新的可穿戴VSM平臺(tái)編寫，ADI不是最終產(chǎn)品的制造商。然而，該平臺(tái)旨在作為參考，幫助電子設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)架構(gòu)師加快開發(fā)過程，同時(shí)為專業(yè)和醫(yī)療市場(chǎng)設(shè)計(jì)更新、更智能、更準(zhǔn)確的可穿戴設(shè)備。

我們正在測(cè)量什么、如何以及在哪里測(cè)量

使用可穿戴設(shè)備可以測(cè)量各種重要參數(shù)。根據(jù)總體目標(biāo)，某些規(guī)格比其他規(guī)格更重要?？纱┐髟O(shè)備在身體上的位置對(duì)可以測(cè)量和不能測(cè)量的內(nèi)容有很大的影響。最明顯的位置是手腕。我們習(xí)慣于在手腕上佩戴設(shè)備，這就是為什么市場(chǎng)上有這么多產(chǎn)品，如智能手表和腕戴設(shè)備的原因。除了在手腕上測(cè)量外，頭部是可穿戴設(shè)備的另一個(gè)好位置。例如，耳機(jī)和耳塞提供不同的樣式，其中包含嵌入式傳感器，用于測(cè)量心率、血氧飽和度和溫度等參數(shù)?？纱┐髟O(shè)備在身體上的第三個(gè)好位置是胸部。第一代心率監(jiān)測(cè)器是圍繞胸帶設(shè)計(jì)的，這種生物電位測(cè)量原理仍然是一種非常精確的技術(shù)。今天，我們傾向于使用胸貼，因?yàn)楸韼宕髌饋聿皇呛苁娣准抑圃焐虆⑴c了智能補(bǔ)丁的設(shè)計(jì)，以監(jiān)控重要參數(shù)。

根據(jù)身體位置的不同，我們不僅要選擇可以測(cè)量哪些參數(shù)，還要選擇應(yīng)該使用什么技術(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。信號(hào)很強(qiáng)，很容易通過使用兩個(gè)或多個(gè)電極從體內(nèi)檢索。對(duì)于這種方法，將電路集成到胸帶或耳機(jī)中是完美的。然而，在手腕等單個(gè)點(diǎn)測(cè)量生物電位信號(hào)幾乎是不可能的。您需要測(cè)量產(chǎn)生這些電信號(hào)的整個(gè)心臟。對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量，光學(xué)技術(shù)更為合適。光被發(fā)送到組織中，并且由于動(dòng)脈中的血流而反射被捕獲和測(cè)量。從這個(gè)光學(xué)接收信號(hào)中，可以檢索逐拍信息。這項(xiàng)技術(shù)聽起來相當(dāng)簡(jiǎn)單。然而，有幾個(gè)挑戰(zhàn)和影響因素會(huì)使設(shè)計(jì)變得非常困難，例如運(yùn)動(dòng)和環(huán)境光。

ADI公司的第二代可穿戴設(shè)備參考平臺(tái)具有上述大多數(shù)技術(shù)。該設(shè)備設(shè)計(jì)為戴在手腕上，不過，您也可以取下軟帶并將設(shè)備連接到身體上以將其用作智能貼片。該設(shè)備包括支持生物電位測(cè)量、光學(xué)心率測(cè)量、生物阻抗測(cè)量、運(yùn)動(dòng)跟蹤和溫度測(cè)量的技術(shù)，所有這些都集成在一個(gè)微型電池供電設(shè)備中。

總體目標(biāo)

ADI公司為什么要設(shè)計(jì)像GEN II手表這樣的系統(tǒng)？像這樣的系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠以簡(jiǎn)單的方式測(cè)量身體上的幾個(gè)重要參數(shù)。該設(shè)備可以同時(shí)測(cè)量參數(shù)并將結(jié)果存儲(chǔ)在SD卡上，或通過BLE無線連接將其發(fā)送到智能設(shè)備。由于測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行的，因此它還可以幫助找到多個(gè)測(cè)量之間的相關(guān)性。生物醫(yī)學(xué)工程師、算法提供商和企業(yè)家一直在尋找新技術(shù)、應(yīng)用和用例，以便在早期階段檢測(cè)疾病，以盡量減少后期可能對(duì)身體產(chǎn)生的負(fù)面影響或損害。

一次測(cè)量并不能說明什么

ADI公司的新型可穿戴系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式傳感器、處理能力和無線通信，是一款獨(dú)特的器件。

該光學(xué)系統(tǒng)圍繞ADPD107光學(xué)模擬前端構(gòu)建。它利用綠色LED來測(cè)量PPG和心率，同時(shí)集成了一個(gè)紅外LED，用于接近，以檢測(cè)設(shè)備何時(shí)連接到人體。生物電位ECG測(cè)量由兩個(gè)獨(dú)立的AD8233模擬前端支持。一個(gè)前端連接到嵌入在設(shè)備中的電極。設(shè)備背面的一個(gè)電極接觸一個(gè)肢體，設(shè)備頂部的第二個(gè)電極可以被另一個(gè)肢體（手）觸摸以閉合環(huán)。第二個(gè)模擬前端可通過外部電極測(cè)量ECG。這允許用戶像智能貼片一樣佩戴設(shè)備，并將外部電極直接連接到胸部。設(shè)備背面的電極具有雙重功能。除了心電圖測(cè)量外，這些還可用于皮膚電活動(dòng)（EDA）。EDA或皮膚電反應(yīng)（GSR）與皮膚的電導(dǎo)率有關(guān)，皮膚的電導(dǎo)率會(huì)因來自內(nèi)部或外部刺激的情緒而改變。第二代腕表能夠檢測(cè)到電導(dǎo)率的微小變化。電路圍繞這一測(cè)量原理，包括發(fā)射和接收信號(hào)鏈，完全由分立元件構(gòu)成。它以最小的功耗提供高水平的精度。最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，集成了用于皮膚溫度測(cè)量的溫度傳感器和3軸超低功耗MEMS傳感器（ADXL362）。MEMS傳感器跟蹤運(yùn)動(dòng)。這可用于運(yùn)動(dòng)輪廓分析，但運(yùn)動(dòng)引起的偽影也可以在其他測(cè)量中得到補(bǔ)償。運(yùn)動(dòng)始終是一個(gè)重要方面，因?yàn)榘ㄐ穆省PO2 或呼吸頻率在內(nèi)的幾個(gè)重要參數(shù)非常依賴于活動(dòng)，因此必須測(cè)量身體的運(yùn)動(dòng)。

慢跑時(shí)心率為 140 bpm 很好，但如果您坐在沙發(fā)上時(shí)心率為 140 bpm，您可能需要擔(dān)心。通過組合各種傳感器信號(hào)，還可以支持新的應(yīng)用。

集成了超低功耗ADuCM3029，用于收集傳感器數(shù)據(jù)并運(yùn)行算法。圖2概述了傳感器板上的集成器件。

圖2.傳感器板第二代手表平臺(tái)。

壓力和持續(xù)血壓

對(duì)于心率，需要ECG或PPG測(cè)量，因此這不需要傳感器輸出的組合，除非我們想補(bǔ)償來自運(yùn)動(dòng)的偽影。需要多次測(cè)量的用例包括壓力管理或連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)。情緒狀態(tài)可以通過監(jiān)測(cè)皮膚電導(dǎo)率的變化來測(cè)量。這只是一個(gè)參數(shù)，但如果我們要將其與監(jiān)測(cè)其他參數(shù)（例如心率和心率變異性 （HRV））相結(jié)合，則測(cè)量值會(huì)增加很多。皮膚溫度也可以作為測(cè)量壓力的額外輸入。血壓監(jiān)測(cè)是另一個(gè)有趣的用例。這是一個(gè)非常重要的參數(shù)——值得慶幸的是，大多數(shù)系統(tǒng)都是基于袖帶的，很難集成到可穿戴和連續(xù)系統(tǒng)中。但是，有一些技術(shù)可用于測(cè)量血壓而無需袖帶。一種技術(shù)通過利用脈沖波傳輸時(shí)間（PTT）來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。動(dòng)脈PTT信號(hào)可以在R波心臟收縮時(shí)刻和脈沖到達(dá)手指時(shí)間之間測(cè)量。該傳輸時(shí)間與血壓有直接關(guān)系。圖3顯示了心電圖與PPG的組合測(cè)量結(jié)果。該手表可用于此測(cè)量，因?yàn)樗С衷谝粋€(gè)設(shè)備中測(cè)量ECG和PPG測(cè)量。

圖3.心電圖測(cè)量與PPG相結(jié)合。

原型到產(chǎn)品

第二代手表在小型可穿戴設(shè)備中嵌入了許多高性能傳感器和功能。除了電子設(shè)計(jì)外，還考慮了許多機(jī)械方面。這使得該平臺(tái)對(duì)專注于半專業(yè)和專業(yè)運(yùn)動(dòng)市場(chǎng)以及醫(yī)療市場(chǎng)的設(shè)計(jì)公司和設(shè)備制造商非常有吸引力?？梢酝瑫r(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)，但是，算法需要補(bǔ)充應(yīng)用程序并支持用例。該器件將使開發(fā)人員和設(shè)備制造商能夠快速啟動(dòng)開發(fā)過程，無需在測(cè)試前驗(yàn)證算法和構(gòu)建。GEN II腕表數(shù)量有限，ADI非常有興趣與設(shè)計(jì)公司和算法提供商合作開發(fā)最先進(jìn)的系統(tǒng)，出售給專業(yè)護(hù)理人員和健康保險(xiǎn)公司。有些特性已經(jīng)符合醫(yī)療規(guī)范，而其他特性仍需要改進(jìn)，但ADI絕對(duì)走在正確的軌道上。

審核編輯：郭婷