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從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備

發(fā)布時間:2023-04-19 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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(qiáng)調(diào)預(yù)防﹑健康意識和生活方式、一般而言,這不只是關(guān)于實行更多或更好的營養(yǎng)攝入計劃,而是更關(guān)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(wù)的公司近年來營收明顯增長。


簡介

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(qiáng)調(diào)預(yù)防﹑健康意識和生活方式、一般而言,這不只是關(guān)于實行更多或更好的營養(yǎng)攝入計劃,而是更關(guān)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(wù)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(jìn)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公司最新可穿戴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(shè)計人員和系統(tǒng)架構(gòu)師加快開發(fā)過程,為專業(yè)和醫(yī)療市場設(shè)計出更新、更智能、更精確的可穿戴設(shè)備。

測量什么、如何測量及在哪里測量

通過可穿戴設(shè)備可測量各類重要身體參數(shù)。根據(jù)總體目標(biāo),測量某些參數(shù)比測量其他參數(shù)會更重要??纱┐髟O(shè)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(xí)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(shè)備之類的產(chǎn)品。除在手腕上進(jìn)行測量以外,頭部也是佩戴可穿戴設(shè)備的好地方。例如,各式各樣的頭戴式耳機(jī)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(shè)備的第三個好位置是胸部。第一代心率監(jiān)護(hù)儀就是設(shè)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(shù)。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(shè)計智能胸貼以監(jiān)控重要身體參數(shù)。


從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備

圖1. ADI公司最新第二代可穿戴VSM平臺根據(jù)身體位置


ADI公司最新第二代可穿戴VSM平臺根據(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(shù)。對于心率測量,生物電位測量是最古老的技術(shù)之一。其信號很強(qiáng),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(jī)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(shù)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(shù)看似相當(dāng)直截了當(dāng),但事實上存在多項挑戰(zhàn)和影響因素會使設(shè)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(shè)備參考平臺集成了上述大部分技術(shù)。該設(shè)備設(shè)計戴在手腕上,但您也可以去除軟帶,將設(shè)備貼在身體上,用作智能貼片。該設(shè)備包含支持生物電位測量、光學(xué)心率測量、生物阻抗測量、運動跟蹤、溫度測量的技術(shù),它們?nèi)技稍谝粋€微型電池供電設(shè)備中。

總體目標(biāo)

ADI公司為什么設(shè)計一個類似第二代手表的系統(tǒng)?此類系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠輕松測量身體的多個重要參數(shù)。該設(shè)備可同時測量多個參數(shù)并將結(jié)果存儲在SD卡上,或通過BLE無線連接發(fā)送到智能設(shè)備。由于測量是同時進(jìn)行,因此它也有助于發(fā)現(xiàn)多個測量之間的相關(guān)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(shù)、應(yīng)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。

單一測量不能說明任何問題

ADI公司的最新可穿戴系統(tǒng)是一款獨一無二的設(shè)備,其中整合了嵌入式傳感器、處理能力和無線通信。


從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備

圖2. 傳感器板第二代手表平臺該光學(xué)系統(tǒng)圍繞光學(xué)模擬前端ADPD107而構(gòu)建。


傳感器板第二代手表平臺該光學(xué)系統(tǒng)圍繞光學(xué)模擬前端ADPD107而構(gòu)建。它利用綠光LED測量PPG和心率,并集成紅外LED以檢測設(shè)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(shè)備中嵌入的電極。一個電極位于設(shè)備背面,接觸身體的一肢;第二個電極位于設(shè)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(shè)備,并將外部 電極直接連到胸部。設(shè)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(yīng)(GSR)與皮膚電導(dǎo)率有關(guān),而內(nèi)部或外部刺激引起的情緒變化會改變皮膚電導(dǎo)率。第二代手表能夠檢測這種微小的電導(dǎo)率變化。電路基于此測量原理而構(gòu)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(bǔ)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(dāng)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(dān)心了。通過合并不同傳感器信號,還可以支持新型應(yīng)用。

設(shè)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。

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(bǔ)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(dǎo)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(shù)無需袖帶便可測量血壓。有一種技術(shù)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(dá)手指時刻的動脈PTT信號。此傳輸時間與血壓直接相關(guān)。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。


從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備
圖3. ECG測量與PPG結(jié)合

 

原型到產(chǎn)品

第二代手表在一個小型可穿戴設(shè)備中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設(shè)計外,還考慮了許多機(jī)械設(shè)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(shè)計公司和設(shè)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(yīng)用并支持使用場景。此設(shè)備將能讓開發(fā)商和設(shè)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(gòu)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(shè)計公司和算法提供商合作,開發(fā)可出售給專業(yè)看護(hù)和醫(yī)療保險公司的先進(jìn)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(jìn),但ADI公司無疑已走在正確的道路上。

作者簡介

Jan-Hein Broeders是ADI公司負(fù)責(zé)歐洲、中東和非洲業(yè)務(wù)的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作,將他們現(xiàn)在和將來的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案,這些方案基于ADI公司市場領(lǐng)先的線性和轉(zhuǎn)換器技術(shù)和數(shù)字信號處理與電源產(chǎn)品。

Jan-Hein 20年前開始投身半導(dǎo)體行業(yè),擔(dān)任Burr-Brown模擬現(xiàn)場應(yīng)用工程師,負(fù)責(zé)Benelux和Scandinavia。在德州儀器收購Burr-Brown五年后,他加入ADI公司,擔(dān)任飛利浦全球現(xiàn)場應(yīng)用工程師(FAE)。自2008年起,他開始從事目前的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)開發(fā)工作。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。

詳見
3.從可穿戴設(shè)備過渡到醫(yī)療設(shè)備.pdf


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