分享關(guān)于醫(yī)用可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)的分析應(yīng)用

對(duì)于醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō)，精確的診斷和治療與反映個(gè)人健康狀態(tài)的清晰畫(huà)面息息相關(guān)。但醫(yī)護(hù)人員還經(jīng)常需要借助一些醫(yī)療場(chǎng)所、診所或醫(yī)院的檢查，這些檢查最多只能提供不斷變化的個(gè)人健康動(dòng)態(tài)情況的靜態(tài)快照。但對(duì)于個(gè)人而言，這便與其上班甚至通過(guò)家庭醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行治療的需求產(chǎn)生了分歧，常常會(huì)演變?yōu)闊o(wú)法執(zhí)行醫(yī)療計(jì)劃。

通過(guò)可穿戴式產(chǎn)品遠(yuǎn)程查看健康資料的能力促進(jìn)了醫(yī)療保健行業(yè)的巨大進(jìn)步。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì) (GSMA) 在美國(guó)進(jìn)行的一項(xiàng)慢性心力衰竭患者研究顯示，對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視可減少并縮短住院時(shí)間。有一項(xiàng)獨(dú)立的研究表明，遠(yuǎn)程監(jiān)視慢性心力衰竭患者可將再次入院幾率降低 72%?？刁w佳健康聯(lián)盟，一個(gè)與 GSMA 類似的由醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)與技術(shù)公司組成的非盈利行業(yè)組織，將遠(yuǎn)程監(jiān)視或遠(yuǎn)程醫(yī)療視為醫(yī)療保健解決方案的關(guān)鍵因素，以解決突飛猛漲的每年耗資逾五千億美元的慢性疾病難題。

可穿戴電子通過(guò)為患者及其醫(yī)護(hù)人員提供前所未有的清晰健康趨勢(shì)畫(huà)面，能直接解決這些問(wèn)題。不同于在醫(yī)療場(chǎng)所或醫(yī)院所獲得的重要統(tǒng)計(jì)數(shù)字的偶然性快照，可穿戴式保健與健康產(chǎn)品提供了反應(yīng)個(gè)人身體狀況的長(zhǎng)期視圖。事實(shí)上，更先進(jìn)的可穿戴式產(chǎn)品甚至還能即時(shí)反映健康狀態(tài)或允許醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和有限的治療。

下一代可穿戴式設(shè)備

多年來(lái)，健身監(jiān)測(cè)器一直用于全天候跟蹤用戶心率，而更加復(fù)雜的可穿戴式設(shè)備正在尋求一種能提供持續(xù)更新重要診斷數(shù)據(jù)的方法。以iHealth Lab 的動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)護(hù)儀、無(wú)線動(dòng)態(tài)心電儀和可穿戴式脈搏血氧儀為例，所有這些產(chǎn)品都結(jié)合了可穿戴式傳感器系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙以無(wú)線方式傳送至智能手機(jī)。動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)在內(nèi)衣上，以提供全天候監(jiān)視，而不會(huì)影響用戶的日常生活。ECG 設(shè)備的電極和監(jiān)護(hù)儀集成在一個(gè)輕型單位中，可直接貼在用戶胸口，并將數(shù)據(jù)推送到云端以供醫(yī)護(hù)人員訪問(wèn)。同樣，脈搏血氧儀通過(guò)指套式傳感器連接至佩戴舒適的腕帶，能提供全天 24 小時(shí)的血氧飽和度（SpO2）測(cè)量。

健身追蹤器尺寸很小，能為用戶帶來(lái)持續(xù)、舒適、無(wú)感的佩戴體驗(yàn)。Garmin Vivofit、LG Lifeband Touch 以及 Sony Core 等下一代健身可穿戴式產(chǎn)品功能強(qiáng)大，為更復(fù)雜的應(yīng)用提供了更多數(shù)據(jù)，進(jìn)而能更好的指導(dǎo)健康與健身。(圖1)

圖1養(yǎng)生與健身愛(ài)好者開(kāi)始關(guān)注與此款Jawbone UP24等下一代健身追蹤器相關(guān)的更復(fù)雜應(yīng)用

嵌入式傳感器

在此新一代可穿戴式產(chǎn)品迅速崛起的同時(shí)，傳感器、超低功耗處理器、無(wú)線通信、靈活的電子和封裝等技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。事實(shí)上，將傳感器陣列引入服飾中是過(guò)去幾年的一個(gè)重大突破，從而能夠開(kāi)發(fā)出舒適而優(yōu)雅的可穿戴診斷設(shè)備。

例如，AiQ智能衣服將超細(xì)不銹鋼織進(jìn)纖維中，使嵌入式傳感器形成了導(dǎo)電網(wǎng)狀物以監(jiān)視皮膚溫度和環(huán)境濕度以及進(jìn)行心電圖、腦電圖、肌電圖等腦電波測(cè)量。此類傳感器陣列隱藏在病人長(zhǎng)袍和毯子等臨床醫(yī)療服裝中，可以連續(xù)無(wú)損地為醫(yī)護(hù)人員提供持續(xù)的重要統(tǒng)計(jì)信息來(lái)源。

為降低當(dāng)前篩查過(guò)程中的誤診情況，F(xiàn)irst Warning Systems 在其智能胸罩中采用了嵌入式傳感器技術(shù)，旨在以類似于任何其他胸罩的外形提供非放射、無(wú)損診斷數(shù)據(jù)。該公司的智能胸罩中嵌入了多個(gè)傳感器，收集的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，實(shí)時(shí)向內(nèi)科醫(yī)生報(bào)告可能的異常。經(jīng)過(guò)多次臨床試驗(yàn)證實(shí)，F(xiàn)irst Warning Systems 的技術(shù)能夠在發(fā)現(xiàn)乳腺癌前監(jiān)視到組織變化，提供了有助于提升當(dāng)前篩查效果的預(yù)警能力。

可穿戴式醫(yī)療設(shè)備

在提供更加復(fù)雜的醫(yī)療監(jiān)測(cè)的同時(shí)，可穿戴式產(chǎn)品在醫(yī)療方面也得以推廣應(yīng)用。例如，Thimble Bioelectronics正在研發(fā)一款小型 patch，基于經(jīng)皮電神經(jīng)刺激療法 (TENS) 和肌肉電刺激 (EMS) 為局部疼痛提供動(dòng)態(tài)治療。TENS/EMS 設(shè)備將個(gè)人與家用設(shè)備或安裝在理療師診療室的設(shè)備連接起來(lái)。憑借其能獲得長(zhǎng)期、立即治療的能力，移動(dòng) patch 將能夠進(jìn)一步緩解慢性病疼痛。

Insulet的OmniPod提供了一個(gè)可穿戴式胰島素給藥系統(tǒng)，并串聯(lián)了個(gè)人血糖管理器 (PDM)。PDM 將內(nèi)置血糖儀與胰島素注入的無(wú)線控制結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)一個(gè)小型可穿戴式胰島素給藥 pod 管理。與傳統(tǒng)胰島素注入系統(tǒng)不同，此款防水型OmniPod即使在游泳和淋浴時(shí)也可持續(xù)佩戴，而不會(huì)違反醫(yī)療協(xié)議或影響積極的生活方式。

為醫(yī)療、健康及健身應(yīng)用創(chuàng)建可穿戴式產(chǎn)品帶來(lái)了全新、獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。工程師必須在一個(gè)超小型生物相容性封裝中集成高級(jí)傳感器系統(tǒng)、低功耗嵌入式系統(tǒng)及無(wú)線通信。同時(shí)，諸如腕帶等可視穿戴式設(shè)備必須具有美觀、佩戴舒適、式樣新穎的配件，并能在充電次數(shù)較少時(shí)延長(zhǎng)使用壽命。

超低功耗 MCU

對(duì)于設(shè)計(jì)人員，解決電源和性能間的需求沖突是面臨的最大挑戰(zhàn)之一。因此，可穿戴設(shè)計(jì)的核心通常是高度集成的超低功耗 MCU。例如，Insulet的OmniPod采用Freescale Semiconductor 的超低功耗 S08 內(nèi)核架構(gòu)。這些高度集成的 MCU 內(nèi)置了片上 RAM、閃存、定時(shí)器、ADC和多個(gè)接口選項(xiàng)，同時(shí)提供了多個(gè)低功耗模式，在掉電時(shí)電流消耗僅 20 nA。因 MCU 極低的功耗要求，Insulet深信OmniPod的兩節(jié) AA 電池能為運(yùn)行能量相對(duì)短缺的胰島素泵保留相當(dāng)充足的能量。

然而對(duì)于 Shine 可穿戴式無(wú)線身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)器，Misfit面臨著更加嚴(yán)峻的功耗約束。Misfit 發(fā)現(xiàn)需要用戶頻繁對(duì) Shine 充電勢(shì)必會(huì)影響其作為可持續(xù)穿戴監(jiān)測(cè)器的作用。因此，Misfit 通過(guò)用戶可更換的 CR2032 鋰離子電池對(duì) Shine 身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)器供電，預(yù)期能為功能豐富的無(wú)線應(yīng)用提供至少四個(gè)月的電量。

因其有限的功率預(yù)算，Shine 在驅(qū)動(dòng)基于 LED 的用戶界面及與智能手機(jī)上的 Shine 應(yīng)用進(jìn)行無(wú)線通信的同時(shí)，必須采用一系列復(fù)雜算法通過(guò) 3 軸加速度計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此，Misfit 選擇了Leopard Gecko MCU來(lái)設(shè)計(jì) Shine，該 MCU 是 Silicon Laboratories ARM Cortex-M3 內(nèi)核的超低功耗版本（圖 2）。Gecko 的低功耗傳感器接口（LESENSE）和外設(shè)反射系統(tǒng)（PRS）等特性，允許 LESENSE 即使在 MCU 內(nèi)核休眠時(shí)仍能收集傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò) PRS 允許外設(shè)自治通信，從而降低了系統(tǒng)功耗。

圖 2: 由用戶可更換的CR2032鋰離子電池供電的Misfit Shine身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)器，采用Silicon Laboratories的超低功耗ARM Cortex-M3內(nèi)核 MCU。

Intel Quark MCU專為可穿戴式設(shè)備及類似的深度嵌入式應(yīng)用而打造，對(duì)于這些應(yīng)用，低功耗與小尺寸遠(yuǎn)比原始性能重要。最初的 Quark 設(shè)備 X1000 集成了 400 MHz 32 位內(nèi)核、512 KB SRAM、DDR3 存儲(chǔ)器控制器和多個(gè)連接選項(xiàng)。但 Intel 逐漸意識(shí)到可穿戴式應(yīng)用對(duì)安全性日益增長(zhǎng)的要求，便在 X1000 中加入了片上引導(dǎo) ROM，用于為認(rèn)證提供硬件信任根。

通過(guò)Edison開(kāi)發(fā)板，Intel 為可穿戴式設(shè)計(jì)人員提供了非常小（SD 卡大?。┑钠脚_(tái)，其中集成了雙核 400 MHz Quark、LPDDR2 和 NAND 閃存存儲(chǔ)器以及 Wi-Fi 和藍(lán)牙低功耗（BLE）連接（圖 3 ）。

圖 3: SD 卡大小的 Intel Edison 開(kāi)發(fā)板具有一個(gè)雙核 Quark、板載存儲(chǔ)器以及 Wi-Fi 和藍(lán)牙低功耗技術(shù)。

圖片引自: Intel

參考設(shè)計(jì)

隨著更高效電子元件和封裝形式的涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員將迎來(lái)一項(xiàng)巨大的任務(wù)：將硬件和軟件組件打造成實(shí)用的可穿戴式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為使設(shè)計(jì)人員與工程師合作應(yīng)對(duì)可穿戴式設(shè)備相關(guān)的設(shè)計(jì)難題，制造商提供了參考設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)套件和開(kāi)發(fā)框架。例如，可穿戴式參考平臺(tái)（WaRP）便為一個(gè)綜合的開(kāi)源、可擴(kuò)展可穿戴式設(shè)計(jì)解決方案（圖 4）。WaRP結(jié)合了Freescale i.MX 6SoloLite ARM Cortex-A9應(yīng)用處理器、Xtrinsic MMA955xL智能運(yùn)動(dòng)感應(yīng)平臺(tái)、FXOS8700CQR1 6 軸數(shù)字傳感器以及Kynetics軟件和Rvolution Robotics 硬件。

圖4 Texas Instruments集成 sub-GHz無(wú)線收發(fā)器、基于MSP430 MCU的Chronos個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）和傳感器節(jié)點(diǎn)參考設(shè)計(jì)

TI 獨(dú)家提供了Chronos個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）和基于MSP430 MCU的傳感器節(jié)點(diǎn)參考設(shè)計(jì)以及集成的 sub-GHz 無(wú)線收發(fā)器。Chronos平臺(tái)采用運(yùn)動(dòng)手表外形，可與心率監(jiān)測(cè)器、壓力傳感器及其他測(cè)量單元進(jìn)行無(wú)線配接。

Movea聯(lián)手 TI 和Xm-Squared 推出了 G 系列可穿戴式腕帶參考設(shè)計(jì)，用于監(jiān)視包括活動(dòng)、姿勢(shì)、睡眠以及運(yùn)動(dòng)速度和節(jié)奏等各種健康體征。該參考設(shè)計(jì)結(jié)合了Movea的Motionsport嵌入式庫(kù)以及Xm-Squared 的腕帶設(shè)計(jì)和Texas Instruments 的低功耗 CC2541 SoC，該Soc提供了藍(lán)牙低功耗專用 2.4 GHz 無(wú)線通信。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，該參考設(shè)計(jì)的某項(xiàng)出色特性可支持進(jìn)行睡眠分析，并提供接近醫(yī)院睡眠研究所用多導(dǎo)睡眠圖的結(jié)果。

結(jié)論

可穿戴式產(chǎn)品將解決醫(yī)療行業(yè)中重要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和及時(shí)性問(wèn)題。通過(guò)快速訪問(wèn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果，可穿戴式技術(shù)可為醫(yī)護(hù)人員更快速、更準(zhǔn)確地診斷健康問(wèn)題提供數(shù)據(jù)，并能避免突飛猛漲的慢性疾病和疼痛治療成本。隨著先進(jìn)傳感器、超低功耗 MCU、靈活電子設(shè)備和封裝形式的不斷涌現(xiàn)，可穿戴式產(chǎn)品在曾是昂貴的醫(yī)院設(shè)備或家用設(shè)備的醫(yī)療、健身和健康壟斷領(lǐng)域中得以推廣應(yīng)用。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，不斷涌現(xiàn)的參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)套件為涉足可穿戴式產(chǎn)品提供了良好的開(kāi)端。