整合芯片、軟件及平臺為一體的可穿戴式設(shè)計

摘要：對于醫(yī)護(hù)人員，精確的診斷和治療與反映個人健康狀況的清晰畫面息息相關(guān)。通過可穿戴式產(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。可穿戴電子通過為患者及其醫(yī)護(hù)人員提供前所未有的清晰健康趨勢畫面，能直接解決這些問題。Freescale、Intel、Texas Instruments和 Silicon Labs 等制造商現(xiàn)已提供了此類產(chǎn)品和開發(fā)套件。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/256088.htm

關(guān)鍵字：嵌入式， 健身， 可穿戴， 低功率， MCU， 電子， 醫(yī)護(hù)， Intel， Edison， 硬件開發(fā)， Gecko， Jawbone， 微控制器

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.004

對于醫(yī)護(hù)人員來說，精確的診斷和治療與反映個人健康狀態(tài)的清晰畫面息息相關(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人健康動態(tài)情況的靜態(tài)快照。但對于個人而言，這便與其上班甚至通過家庭醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行治療的需求產(chǎn)生了分歧，常常會演變?yōu)闊o法執(zhí)行醫(yī)療計劃。

通過可穿戴式產(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。全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會 （GSMA） 在美國進(jìn)行的一項慢性心力衰竭患者研究顯示，對患者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視可減少并縮短住院時間。有一項獨立的研究表明，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%。康體佳健康聯(lián)盟，一個與 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。

可穿戴電子通過為患者及其醫(yī)護(hù)人員提供前所未有的清晰健康趨勢畫面，能直接解決這些問題。不同于在醫(yī)療場所或醫(yī)院所獲得的重要統(tǒng)計數(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)個人身體狀況的長期視圖。事實上，更先進(jìn)的可穿戴式產(chǎn)品甚至還能即時反映健康狀態(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，健身監(jiān)測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 的動態(tài)血壓監(jiān)護(hù)儀、無線動態(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)通過藍(lán)牙以無線方式傳送至智能手機(jī)。動態(tài)血壓監(jiān)護(hù)儀設(shè)計在內(nèi)衣上，以提供全天候監(jiān)視，而不會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。同樣，脈搏血氧儀通過指套式傳感器連接至佩戴舒適的腕帶，能提供全天 24小時的血氧飽和度（SpO2）測量。

健身追蹤器尺寸很小，能為用戶帶來持續(xù)、舒適、無感的佩戴體驗。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）

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，傳感器、超低功耗處理器、無線通信、靈活的電子和封裝等技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。事實上，將傳感器陣列引入服飾中是過去幾年的一個重大突破，從而能夠開發(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、肌電圖等腦電波測量。此類傳感器陣列隱藏在病人長袍和毯子等臨床醫(yī)療服裝中，可以連續(xù)無損地為醫(yī)護(hù)人員提供持續(xù)的重要統(tǒng)計信息來源。

為降低當(dāng)前篩查過程中的誤診情況，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、無損診斷數(shù)據(jù)。該公司的智能胸罩中嵌入了多個傳感器，收集的數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行預(yù)測分析，實時向內(nèi)科醫(yī)生報告可能的異常。經(jīng)過多次臨床試驗證實，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)測的同時，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） 為局部疼痛提供動態(tài)治療。TENS/EMS 設(shè)備將個人與家用設(shè)備或安裝在理療師診療室的設(shè)備連接起來。憑借其能獲得長期、立即治療的能力，移動 patch將能夠進(jìn)一步緩解慢性病疼痛。

Insulet 的 OmniPod 提供了一個可穿戴式胰島素給藥系統(tǒng)，并串聯(lián)了個人血糖管理器 （PDM）。PDM 將內(nèi)置血糖儀與胰島素注入的無線控制結(jié)合起來，并通過一個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也可持續(xù)佩戴，而不會違反醫(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)品帶來了全新、獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)。工程師必須在一個超小型生物相容性封裝中集成高級傳感器系統(tǒng)、低功耗嵌入式系統(tǒng)及無線通信。同時，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)較少時延長使用壽命。

超低功耗 MCU

對于設(shè)計人員，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、定時器、ADC 和多個接口選項，同時提供了多個低功耗模式，在掉電時電流消耗僅 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)行能量相對短缺的胰島素泵保留相當(dāng)充足的能量。

然而對于 Shine 可穿戴式無線身體活動監(jiān)測器，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 Shine 充電勢必會影響其作為可持續(xù)穿戴監(jiān)測器的作用。因此，Misfit 通過用戶可更換的 CR2032 鋰離子電池對 Shine 身體活動監(jiān)測器供電，預(yù)期能為功能豐富的無線應(yīng)用提供至少四個月的電量。

因其有限的功率預(yù)算，Shine 在驅(qū)動基于 LED 的用戶界面及與智能手機(jī)上的 Shine 應(yīng)用進(jìn)行無線通信的同時，必須采用一系列復(fù)雜算法通過 3 軸加速度計對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此，Misfit 選擇了 Leopard Gecko MCU 來設(shè)計 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)核休眠時仍能收集傳感器數(shù)據(jù)并通過 PRS 允許外設(shè)自治通信，從而降低了系統(tǒng)功耗。

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 存儲器控制器和多個連接選項。但 Intel 逐漸意識到可穿戴式應(yīng)用對安全性日益增長的要求，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 Edison 開發(fā)板，Intel 為可穿戴式設(shè)計人員提供了非常小（SD卡大小）的平臺，其中集成了雙核400 MHz Quark、LPDDR2 和 NAND閃存存儲器以及 Wi-Fi 和藍(lán)牙低功耗（BLE）連接（圖 3 ）。

參考設(shè)計

隨著更高效電子元件和封裝形式的涌現(xiàn)，設(shè)計人員將迎來一項巨大的任務(wù)：將硬件和軟件組件打造成實用的可穿戴式系統(tǒng)設(shè)計。為使設(shè)計人員與工程師合作應(yīng)對可穿戴式設(shè)備相關(guān)的設(shè)計難題，制造商提供了參考設(shè)計、設(shè)計套件和開發(fā)框架。例如，可穿戴式參考平臺（WaRP）便為一個綜合的開源、可擴(kuò)展可穿戴式設(shè)計解決方案（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)動感應(yīng)平臺、FXOS8700CQR1 6 軸數(shù)字傳感器以及Kynetics 軟件和 Rvolution Robotics 硬件。

TI 獨家提供了Chronos 個人局域網(wǎng)（PAN）和基于 MSP430 MCU 的傳感器節(jié)點參考設(shè)計以及集成的 sub-GHz無線收發(fā)器。Chronos 平臺采用運(yùn)動手表外形，可與心率監(jiān)測器、壓力傳感器及其他測量單元進(jìn)行無線配接。

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，用于監(jiān)視包括活動、姿勢、睡眠以及運(yùn)動速度和節(jié)奏等各種健康體征。該參考設(shè)計結(jié)合了Movea 的 Motionsport嵌入式庫以及 Xm-Squared 的腕帶設(shè)計和 Texas Instruments 的低功耗 CC2541 SoC，該Soc 提供了藍(lán)牙低功耗專用2.4 GHz 無線通信。對于醫(yī)療應(yīng)用，該參考設(shè)計的某項出色特性可支持進(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)計數(shù)據(jù)的質(zhì)量和及時性問題。通過快速訪問長期監(jiān)測結(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。對于開發(fā)人員來說，不斷涌現(xiàn)的參考設(shè)計和設(shè)計套件為涉足可穿戴式產(chǎn)品提供了良好的開端。