如何從可穿戴設備過渡到醫(yī)療設備？

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)預防、健康意識和生活方式。一般而言，這不只是關于實行更多或更好的營養(yǎng)攝入計劃，而是更關注監(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，幫助電子設計人員和系統(tǒng)架構師加快開發(fā)過程，為專業(yè)和醫(yī)療市場設計出更新、更智能、更精確的可穿戴設備。

圖1. ADI公司最新第二代可穿戴VSM平臺

01、測量什么、如何測量及在哪里測量

通過可穿戴設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備的第三個好位置是胸部。第一代心率監(jiān)護儀就是設計在胸帶上，這種生物電位測量原理至今仍是非常精確的技術。現(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。對于心率測量，生物電位測量是最古老的技術之一。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備參考平臺集成了上述大部分技術。該設備設計戴在手腕上，但您也可以去除軟帶，將設備貼在身體上，用作智能貼片。該設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，它們?nèi)技稍谝粋€微型電池供電設備中。

02、總體目標

ADI公司為什么設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)。該設備可同時測量多個參數(shù)并將結果存儲在SD卡上，或通過BLE無線連接發(fā)送到智能設備。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、應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。

03、單一測量不能說明任何問題

ADI公司的最新可穿戴系統(tǒng)是一款鮮有的設備，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而構建。它利用綠光LED測量PPG和心率，并集成紅外LED以檢測設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。一個前端連接到設備中嵌入的電極。一個電極位于設備背面，接觸身體的一肢；第二個電極位于設備正面，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備，并將外部電極直接連到胸部。

設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(GSR)與皮膚電導率有關，而內(nèi)部或外部刺激引起的情緒變化會改變皮膚電導率。第二代手表能夠檢測這種微小的電導率變化。電路基于此測量原理而構建，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，還可以支持新型應用。

設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

04、壓力和連續(xù)血壓

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，某些技術無需袖帶便可測量血壓。有一種技術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。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結合

05原型到產(chǎn)品

第二代手表在一個小型可穿戴設備中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設計外，還考慮了許多機械設計方面。這使得該平臺對聚焦于半專業(yè)和專業(yè)市場及醫(yī)療市場的設計公司和設備制造商極具吸引力。多個參數(shù)可以同時測量，但算法需要助力應用并支持使用場景。此設備將能讓開發(fā)商和設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。