綜合家用健康監(jiān)測(cè)

醫(yī)療健康健康行業(yè)面臨三大挑戰(zhàn)：人口老齡化，慢性病例數(shù)量急劇增加，醫(yī)療健康費(fèi)用爆炸式增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)未來20年，老年人口將呈指數(shù)增長(zhǎng)。到2030年，1/3的歐洲人將超過65歲，其中40%需要協(xié)助。如果不能得到充分的照料，老年人將會(huì)有喪失獨(dú)立性的風(fēng)險(xiǎn)。因此，老年人高度期望獨(dú)立自主的生活方式。但是，老年人獨(dú)立自主的生活方式常常伴隨著高風(fēng)險(xiǎn)。目前已經(jīng)開發(fā)出許多利用各種傳感器實(shí)現(xiàn)的智能家居技術(shù)，以跟蹤和監(jiān)測(cè)家中老年人的活動(dòng)，協(xié)助他們獨(dú)立生活。配備傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇和城市環(huán)境為老年人和病人提供了維持獨(dú)立性的機(jī)會(huì)。

環(huán)境輔助生活系統(tǒng)(AAL)在這方面可提供一系列好處，包括連接病人、醫(yī)生和醫(yī)療設(shè)備，從而大大提高治療和護(hù)理的效率。通過這種連接，無論病人在哪里，都可以自動(dòng)記錄并評(píng)估病人的活動(dòng)和健康數(shù)據(jù)。因此，僅當(dāng)病人的健康狀況實(shí)際惡化時(shí)，才需要呼叫醫(yī)務(wù)人員。這樣做的目的是降低醫(yī)療健康行業(yè)的成本并改善病人護(hù)理，即使病人不再在醫(yī)院里接受持續(xù)監(jiān)測(cè)，而是在家里進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)。

人類行為分析和活動(dòng)識(shí)別是當(dāng)今AAL系統(tǒng)不可缺少的一部分。準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)，以及在需要時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)作，是這些系統(tǒng)的必然要求。烹飪、睡覺和打掃衛(wèi)生等日?；顒?dòng)是反映老年人或病人身體能力的良好指標(biāo)。因此，若一個(gè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別這些活動(dòng)，那么就可以自動(dòng)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，為醫(yī)務(wù)人員提供客觀的測(cè)量。這種系統(tǒng)應(yīng)能檢測(cè)任何異常情況，如突然昏倒等，并立即采取動(dòng)作。因此，活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來健康應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文介紹一種綜合家用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)基于視覺的活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和一個(gè)生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用是監(jiān)視個(gè)人活動(dòng)，同時(shí)能夠在該人執(zhí)行活動(dòng)時(shí)監(jiān)視其生命體征。可穿戴醫(yī)療技術(shù)與嵌入式視覺技術(shù)的整合（綁定）是實(shí)現(xiàn)真正家用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

基于視覺的檢測(cè)

到目前為止，活動(dòng)監(jiān)測(cè)市場(chǎng)主要由視頻監(jiān)控技術(shù)主導(dǎo)。然而，隨著這種活動(dòng)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向家庭環(huán)境，視頻分析的基本缺陷，例如侵犯被監(jiān)測(cè)者的隱私、需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)負(fù)載量很大等，導(dǎo)致其不適合此類應(yīng)用。嵌入式視覺檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)有助于克服這兩個(gè)問題。嵌入式視覺檢測(cè)平臺(tái)在邊緣節(jié)點(diǎn)執(zhí)行實(shí)時(shí)處理，系統(tǒng)輸出僅對(duì)遙測(cè)/處理數(shù)據(jù)有用，故而消除了隱私問題，因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)不是視頻或圖像（這會(huì)侵犯隱私），而只是活動(dòng)數(shù)據(jù)，如烹飪、打掃衛(wèi)生或睡覺。由于只有遙測(cè)數(shù)據(jù)被傳輸，所以降低的數(shù)據(jù)速率可節(jié)省90%以上的帶寬需求，相比于視頻傳輸，成本大幅降低。

活動(dòng)監(jiān)測(cè)嵌入式視覺系統(tǒng)包括探測(cè)人員、追蹤人員移動(dòng)、識(shí)別其習(xí)慣的姿勢(shì)和活動(dòng)。嵌入式檢測(cè)平臺(tái)的典型架構(gòu)通常包括以下部分：

光學(xué)系統(tǒng) （CMOS傳感器加鏡頭）：用于捕捉圖像。正確的光學(xué)配置需要根據(jù)視場(chǎng)、系統(tǒng)配置和房間幾何形狀來定義。有時(shí)CMOS傳感器可能會(huì)做一些圖像預(yù)處理，從而減少嵌入式處理器的處理負(fù)荷，進(jìn)而降低系統(tǒng)功耗（如果占空比適當(dāng)）。

處理系統(tǒng): 處理器是此系統(tǒng)的核心，預(yù)期要處理大量控制、檢測(cè)和接口工作，而功耗和占用面積必須非常小。嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)中的處理器，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)捕獲的圖像運(yùn)行圖像處理算法。處理完成后的系統(tǒng)輸出只是遙測(cè)數(shù)據(jù)。在家庭健康場(chǎng)景中，輸出可以是關(guān)于人的活動(dòng)，例如他/她是否正在睡覺、打掃衛(wèi)生或已經(jīng)跌倒。

連接: 嵌入式視覺系統(tǒng)中的連接可以是有線或無線。但在家庭環(huán)境中，很有可能是無線連接。由于輸出只是遙測(cè)數(shù)據(jù)，而不是原始視頻數(shù)據(jù)，所以要傳輸?shù)挠行лd荷大大減少。數(shù)據(jù)隨后傳輸?shù)皆破脚_(tái)，經(jīng)過進(jìn)一步處理后，以應(yīng)用程序的形式實(shí)時(shí)提供給護(hù)士或監(jiān)護(hù)人。

云/數(shù)據(jù)分析: 這構(gòu)成系統(tǒng)的后端。云基礎(chǔ)設(shè)施不僅提供應(yīng)用程序形式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問，還可以運(yùn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)分析算法來識(shí)別家中活動(dòng)的趨勢(shì)。

圖1. 家用綜合健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)人員活動(dòng)和生命體征參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和主要挑戰(zhàn)

可靠性: 活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以可靠、安全、準(zhǔn)確的方式提供活動(dòng)信息是至關(guān)重要的。此外，在發(fā)生緊急情況時(shí)，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確檢測(cè)緊急環(huán)境并發(fā)出警報(bào)，同時(shí)要減少誤報(bào)的產(chǎn)生，防止意外聯(lián)系相關(guān)人員或緊急調(diào)遣系統(tǒng)。

延遲: 能否對(duì)活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的警報(bào)作出即時(shí)響應(yīng)/動(dòng)作/報(bào)警，是決定安全系統(tǒng)真實(shí)潛力的一個(gè)指標(biāo)。監(jiān)測(cè)活動(dòng)（無論是睡覺、行走、打掃衛(wèi)生還是緊急情況）的基本功能應(yīng)該即時(shí)報(bào)告，以使事件發(fā)生和報(bào)告之間的時(shí)間延遲較短。

防篡改: 最后，活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要有盡可能好的防篡改能力。篡改可能發(fā)生在系統(tǒng)的任何部分，無論是終端節(jié)點(diǎn)、無線/有線連接還是數(shù)據(jù)控制和分析周期結(jié)束時(shí)。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)攻擊是安全系統(tǒng)和家用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常關(guān)心的話題。

ADI公司嵌入式視覺檢測(cè)平臺(tái)

ADI公司的BLIP（Blackfin?低功耗成像平臺(tái)）是一種低成本、低功耗、高性能的嵌入式視覺檢測(cè)平臺(tái)，可以運(yùn)行大量實(shí)時(shí)檢測(cè)和圖像處理算法。BLIP由ADI公司的Blackfin系列處理器ADSPBFxxx組成，非常適合嵌入式視覺檢測(cè)算法。有關(guān)BLIP和ADI產(chǎn)品的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問 analog.com/blip。

精確、緊湊、低功耗生命體征測(cè)量

2016年1月初在美國(guó)拉斯維加斯舉行的CES展會(huì)上，ADI公司首次展示了這一解決方案。演示的生命體征測(cè)量(VSM)包括心率和活動(dòng)，通過戴在手腕上的手表顯示。

這款手表內(nèi)部有一個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)嵌入ADI新型Cortex?-M3微控制器（目前市場(chǎng)上功耗最低的M3控制器，名為ADuCM302x）的主板和一個(gè)2.4 GHz無線電收發(fā)器，支持通過Google Thread協(xié)議發(fā)送VSM數(shù)據(jù)。子板上有一個(gè)光度測(cè)量前端 ADPD103，其周圍有三個(gè)綠光LED和一個(gè)光電二極管，以及市場(chǎng)上功耗最低的三軸加速度計(jì) ADXL362。這兩個(gè)器件彼此同步，以更有效地補(bǔ)償人的移動(dòng)。

ADPD107是一款光度測(cè)量前端，工作原理是反射式光學(xué)測(cè)量，通過LED驅(qū)動(dòng)器發(fā)送8 mA至250 mA的電流，以照亮器件的外部LED。這些LED照亮皮膚，并通過光電二極管使用反射測(cè)量，因此信號(hào)由前端采集，然后經(jīng)過放大、濾波、積分和14位ADC轉(zhuǎn)換，再通過I2C接口傳輸?shù)街鳈C(jī)。

讓LED和光電二極管外置有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：允許選擇LED數(shù)量、LED顏色及其電流強(qiáng)度，尤其是LED與光電二極管的間隔可以達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)，使調(diào)制指數(shù)較大（其設(shè)置交流/直流比，從而決定反射信號(hào)的質(zhì)量）。您還可以選擇光電二極管的尺寸（后者越寬，調(diào)制指數(shù)會(huì)越高），并且可以添加一個(gè)超低噪聲和低功耗的電流放大器。

圖3. 綜合健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

根據(jù)執(zhí)行的測(cè)量類型（HRM——心率、脈搏血氧飽和度）和皮膚上的測(cè)量位置來選擇LED顏色。為在手腕上測(cè)量心率，我們選擇綠光LED，因?yàn)閷?duì)于500 nm到600 nm波長(zhǎng)，其血紅蛋白吸收率是較高的。當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，血液在手腕中流動(dòng)，對(duì)綠光的吸收效果很優(yōu)異。在兩次心跳之間，吸收會(huì)減少。讓綠光LED每秒閃爍數(shù)百次，ADPD107便可計(jì)算出每分鐘的心跳次數(shù)，這就是您的心率。建議讓綠光LED與光電二極管隔開3 mm或更多（若方便的話），以提高調(diào)制指數(shù)，如圖3所示。

圖4. 調(diào)制指數(shù)與LED和光電二極管之間隔的函數(shù)關(guān)系

若要測(cè)量脈搏血氧飽和度，則應(yīng)選擇一個(gè)紅光LED和一個(gè)紅外LED，我們將用手指來練習(xí)（使用這種方法時(shí)，我們也可從HRM獲益），因?yàn)樗泻軓?qiáng)的毛細(xì)血管濃度。脈搏血氧測(cè)定是醫(yī)生用來評(píng)估和快速控制患者呼吸功能的非侵入性方法。通過光電二極管的紅光和紅外光的比率表示血液中氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的百分比。血液中的氧飽和度也被稱為SpO2。

因此，血氧測(cè)定的基礎(chǔ)是測(cè)量血液毛細(xì)血管中血紅蛋白的光吸收率，具體來說是測(cè)定每個(gè)紅細(xì)胞的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的比率：

98% SpO2意味著每個(gè)紅細(xì)胞含有98%的氧合血紅蛋白和2%的脫氧血紅蛋白

ADI公司還為不需要對(duì)光學(xué)測(cè)量進(jìn)行大量?jī)?yōu)化的表面受限應(yīng)用提供模塊解決方案（模擬前端、光電二極管和LED在同一封裝中）。因此，包含紅光LED和紅外LED的 ADPD142支持在手指上進(jìn)行SpO2測(cè)量。其后續(xù)產(chǎn)品 ADPD144提供一種改進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)，可減少內(nèi)部光污染（即LED與光電二極管之間的直射光）。其24,425次樣品測(cè)量的平均測(cè)量誤差為2.6%，因此符合FDA要求。ADPD144的封裝尺寸為5 mm×2.8 mm，高度為1.35 mm。

如上所述，為使調(diào)制指數(shù)較大，從而使測(cè)量信號(hào)質(zhì)量較好，LED和光電二極管之間必須有最小間隔，這在空間受限的模塊中可能不是較佳的。因此，對(duì)于運(yùn)動(dòng)手表之類因運(yùn)動(dòng)、排汗和皮膚/手表接觸位移而受到額外限制的應(yīng)用，ADI公司建議只使用由光度測(cè)量前端在外部提供LED和光電二極管的解決方案。

在軟件方面，ADI公司提供光度傳感器和加速度計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序，并在CES上推出了自己的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，該算法運(yùn)行在Cortex-M3內(nèi)核 ADuCM3027上，只需1.5 MIPS、13 kB ROM和7.8 kBRAM。這是一個(gè)重大突破，因?yàn)樵诖酥?，此類算法需要浮點(diǎn)運(yùn)算，因此需使用更耗電且更昂貴的Cortex-M4型處理器。

還應(yīng)注意，皮膚顏色或紋身會(huì)影響測(cè)到的反射信號(hào)質(zhì)量。建議不要將該解決方案放在紋身上。對(duì)于深色皮膚的人來說，調(diào)制指數(shù)略有降低，因此需要優(yōu)化解決方案的光學(xué)設(shè)計(jì)。

超低功耗平臺(tái)

現(xiàn)在，我們來嘗試確定之前討論的手表的功耗，假設(shè)我們?cè)贑ortex-M3 ADuCM3027上執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，并通過一些特征來確定LED功耗。

ADPD107在一個(gè)或兩個(gè)時(shí)隙上發(fā)送一個(gè)LED脈沖序列。因此，不同LED可以對(duì)應(yīng)不同的脈沖數(shù)量。ADPD107的功耗為AFE和LED功耗之和。

以下述條件為例：

FS = 100 Hz; 2個(gè)時(shí)隙；脈沖周期A = 20 μs；脈沖周期B = 40 μs

脈沖數(shù)目A = 4；脈沖數(shù)目B = 8

LED最大電流A = 25 mA；LED最大電流B = 100 mA3 μs

脈沖持續(xù)時(shí)間A = 3 μs；脈沖持續(xù)時(shí)間B = 3 μs

故LED_A的有效電流=(3 × 4/10000) × 25 mA = 30 μA

故LED_B的有效電流=(3 × 8/10000) × 100 mA = 240 μA

AFE的A通道電流 =FS((20 + 脈沖數(shù) × 脈沖周期) × Vddpeak + 0.13) =100((20 + 4 × 20) × 0.0093 + 0.13) = 106 μA

AFE的B通道電流 =FS((20 + 脈沖數(shù) × 脈沖周期) × Vddpeak + 0.20) =100((20 + 8 × 20) × 0.0093 + 0.20) = 187 μA

ADPD107的總功耗（包括兩個(gè)LED的功耗）為563 μA

如上所述，ADI公司開發(fā)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法只需要1.5 MIPS便可工作，近似計(jì)算運(yùn)行頻率為1.5 MHz。ADuCM3027的功耗為38 μA/MHz，故微控制器功耗為57 μA。ADXL362在100 Hz采樣頻率時(shí)消耗2 μA，故AFE和LED、Cortex-M3以及加速計(jì)系統(tǒng)在這個(gè)例子中消耗622 μA。如此低功耗可較大限度地延長(zhǎng)使用時(shí)間，而無需為該手表內(nèi)置的LiPo電池充電。待機(jī)模式下，ADPD107功耗為3.5 μA。其后續(xù)產(chǎn)品的功耗將減少到1 μA。

應(yīng)當(dāng)注意的是，這個(gè)例子的功耗計(jì)算并非針對(duì)某種精確應(yīng)用。目標(biāo)應(yīng)用、通過LED的電流和采樣頻率與系統(tǒng)功耗直接相關(guān)，實(shí)際結(jié)果可能比上述值更好或更差。

盡管如此，ADI公司的低功耗解決方案有助于減少醫(yī)療健康設(shè)備的充電時(shí)間和功耗，讓老年人能夠過上更加獨(dú)立自主的生活。

審核編輯：郭婷