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从可穿戴过渡至医疗设备设计

通过新一代的可穿戴生命特征监测(VSM)平台,有助于让电子设计师和系统架构师加快产品开发过程,同时为专业和医疗市场设计更新颖、更智能且更准确的医疗装置。

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随着人口老龄化的趋势,越来越多的人们需要有关健康的支持系统,因而对于医疗保健的整体支出产生了巨大的影响。有鉴于此,政府相关部门和健康保险公司也越来越重视预防医学、健康意识和生活型态对于个人健康的影响。一般而言,这不仅仅是更多的运动或是更好的营养,同时也包含对于某些重要身体参数的监测。这也是为什么那些从事智能和健康手表业务的企业,近年来能够在营收上有所成长。

 

购买健康手表和测量身体参数,并不表示就能拥有更健康的生活。拥有健康生活的诀窍在于长时间地监测某些身体参数,让自己更熟悉这些数字,并利用它们来调整你的日常生活,使其变得更健康。这是一个帮助你更了解身体如何运作以及长期下来如何降低保健成本的过程。

 

本文以亚德诺半导体(Analog Devices;ADI)最新的可穿戴「生命特征监测」(Vital Signs Monitoring;VSM)平台为基础,如图1所示。ADI并不是一家终端产品的制造商。然而,这款VSM平台能够提供参考设计,有助于让电子设计师和系统架构师加快产品开发过程,同时为专业和医疗市场设计更新颖、更智能,也更准确的可穿戴装置。

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图1:ADI最新一代可穿戴生命特征监测平台

 

测量什么?如何以及测量哪里?

借由可穿戴装置就能测量各种重要参数。根据不同的总体目标,测量某些规格的要求远比其他的规格更重要。可穿戴装置配戴在身体上的位置不同,明显影响到所能测量和无法测量的参数。最显著的位置是手腕。我们习惯在手腕上配戴装置,这也是为什么诸如智能手表和腕带式装置等产品迅速出现在市场上的原因。

 

除了在手腕上进行测量,头部也是另一个适合可穿戴装置的理想位置。例如,以不同风格呈现的头戴式耳机和无线耳机可以内建嵌入式传感器,以测量诸如心率、血氧浓度(SPO2)和温度等参数。

 

第三个适合在身体上配戴可穿戴装置的位置是胸部。第一代的心率监测器设计就是围绕在一个胸带上,这种生物电位测量的原理仍是一项非常准确的技术。今天我们倾向于采用胸部贴片(patch)的方式,因为环绕胸部的背带配戴起来并不舒服。目前已经有多家制造商投入智能型贴片的设计,以监测各种重要的参数。

 

根据身体的位置不同,我们不只面对哪些参数可用于测量的选择,还要思考应该使用那些技术。以心率测量为例,生物电位测量是最古老的技术之一。利用两个或更多的电极,就能够轻松地从身体上取得强大的信号。对于将电路整合在胸带或头戴式耳机的装置而言,这种方法是相当完美的。然而,要在手腕这样的单点位置测量生物电位信号几乎是不可能。你必须在产生这些电子信号的整个心脏周围进行测量。

 

对于单点位置的测量,光学技术更为合适。当光线被送入组织,并反射动脉中血液流动的结果,即可进行撷取与测量。通过此光学信号的接收,可以取得心跳资讯。这种技术听起来直接了当。然而,有许多不同的挑战和影响因素,可能让这一类的设计变得复杂且困难,例如来自移动和环境光源的影响。

 

ADI GEN II可穿戴装置参考平台已经在主板上加入上述的大部份技术了。该装置可用于设计配戴在手腕的装置,虽然,你也可以移除软皮带,将该装置加装在身体上,将其作为智能贴片使用。该参考平台的装置包含了支援生物电位测量、光学心率测量、生物阻抗测量、动作追踪和温度测量等技术,所有这些技术都整合在一个以微小电池供电的装置中。

 

整体目标

为什么要设计像GEN II智能手表这样的系统?设计类似此一系统的目的在于能够以一种简单的方式,测量许多重要的身体参数。该装置可以同时测量参数并将结果储存在SD卡上,或通过低功耗蓝牙(BLE)无线连接并传送至智能型装置上。由于许多测量是同时进行的,因此该装置也有助于发现在几个测量数据间的相关性。生物医学工程师、算法供应商以及企业家不断地寻找新的技术、应用和使用案例,以便尽早在疾病的早期阶段进行检测,尽量减少在疾病发生后期可能对身体造成的负面影响或损害。

 

单一测量并不具有代表性

新型的可穿戴系统结合了嵌入式传感器、计算处理能力和无线通信功能,可说是一款独特的装置。

 

例如ADI新一代装置设计的光学系统是围绕在光学类比前端而建构的,使用绿光LED测量光体积变化描记图(PPG)和心率,而整合的红外光LED则在装置附加在人体时进行近接检测。生物电位心电图(ECG)的测量则透两个单独的数位前端而实现;其中一个前端连接到嵌入在装置中的电极。位于在装置背面的一个电极接触一个肢体,而在装置顶端的第二电极则由其他肢体(如手)接触,从而形成一个封闭回路。第二个类比前端可以通过外部电极实现ECG测量,让用户能够像使用智能贴片般地穿戴此装置,并将外部电极直接连接到胸部。

 

在装置背面的电极具有双重功能,除了ECG测量之外,也可用于测量肤电活动(EDA)。肤电活动或皮肤电流反应(GSR)牵涉到皮肤的传导性,因为皮肤可能由于情绪或来自内部或外部的刺激而改变其传导性。GEN II智能手表平台能够侦测到皮肤传导性的微小变化。该电路是以这一测量原则为基础,包括其传送和接收的信号链,完全由离散式电子元件所构成。它能够在最小的功耗下提供高度的准确性。

 

最后且同样重要的是,装置中还整合了一款可测量皮肤温度的温度传感器,以及一款可追踪动作的3轴超低功耗MEMS传感器。这可以用来进行动作分析,也可以在其他测量时补偿由于动作造成的假影(artifact)。动作通常是一个相当重要的因素,对于心率、SPO2或呼吸率等许多重要参数都非常依赖于活动,所以必须测量身体的动作。当你慢跑时,测得140bpm的心率还不错,可是如果你坐在沙发上也测到140bpm的心率,可能就要担心了。通过组合各种传感器的信号,此装置也能够支援新的应用。

 

超低功耗的微控制器(ADuCM3029)也整合于此装置中,用于收集传感器的数据,并执行算法。图2提供在一个传感器板上整合各种装置的示意图。

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图2:新一代智能手表平台的传感器电路板

 

压力和持续的血压

对于心跳速率,通常需要进行ECG或PPG的测量,所以不需要传感器输出的组合,除非我们想要对动作造成的假影进行补偿。需要多种测量的使用案例包括压力管理或连续性血压监测等状况。情绪状态可以经由监测皮肤传导的变化加以测量。但这只是其中的一个参数,如果希望这个参数结合其他参数的监测结果,例如心率、心率变异分析(HRV),那么需要测量的值就会增加。在测量压力状态时,皮肤温度也可以作为额外的输入。

 

血压的监测是另一个有趣的使用实例,这是一项非常重要的参数,但多数的装置是臂套式的,很难整合于可穿戴或连续性的系统。然而有一些用于血压测量的技术装置是不需要用到臂套的,其中之一就是利用测量脉波传输时间(PTT)的技术而实现。动脉的PPT信号能够利用在R波上所显示的心脏收缩时刻和脉冲到达指尖的时间来加以测量。这个传输时间和血压有直接的相关。图3显示结合PPG的ECG测量。支援ECG和PPG在同一个装置上进行测量的智能手表,就可以用来执行此测量。

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图3:结合PPG的ECG测量结果

 

从原型到产品

新一代的智能手表具有许多高性能的传感器和功能,均嵌入于一款小型的可穿戴装置中。除了电子设计之外,许多机械方面的安排也一并考虑到了。对于专注在半专业和专业运动市场以及医疗市场的设计公司和装置制造商而言,这使得此平台更具有吸引力。它可以同时测量许多参数——然而,也需要相应的算法用于补偿各种应用并支援各种使用案例。这个装置能够让产品开发人员和装置制造商快速启动产品开发过程、无需进行算法验证,而且在测试之前进行产品构建作业。


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