隨著人口老齡化的趨勢,越來越多的人們需要有關健康的支持系統,因而對於醫療保健的整體支出產生了巨大的影響。有鑒於此,政府相關部門和健康保險公司也越來越重視預防醫學、健康意識和生活型態對於個人健康的影響。一般而言,這不僅僅是更多的運動或是更好的營養攝取,同時也包含對於某些重要身體參數的監測。這也是為什麼那些從事智慧和健康手錶業務的企業,近年來能夠在營收上有所成長。

購買健康手錶和測量身體參數,並不表示就能擁有更健康的生活。擁有健康生活的訣竅在於長時間地監測某些身體參數,讓自己更熟悉這些數字,並利用它們來調整你的日常生活,使其變得更健康。這是一個幫助你更了解身體如何運作以及長期下來如何降低保健成本的過程。

本文以亞德諾半導體(Analog Devices;ADI)最新的穿戴式「生命徵象監測」(Vital Signs Monitoring;VSM)平台為基礎,如圖1所示。ADI並不是一家終端產品的製造商。然而,這款VSM平台能夠提供參考設計,有助於讓電子設計師和系統架構師加快產品開發過程,同時為專業和醫療市場設計更新穎、更智慧,也更準確的穿戴式裝置。

20170915_ADI_TA31P1 圖1:ADI最新一代穿戴式生命徵象監測平台

測量什麼?如何以及測量哪裡?

藉由穿戴式裝置就能測量各種重要參數。根據不同的總體目標,測量某些規格的要求遠比其他的規格更重要。穿戴式裝置配戴在身體上的位置不同,明顯影響到所能測量和無法測量的參數。最顯著的位置是手腕。我們習慣在手腕上配戴裝置,這也是為什麼諸如智慧手錶和腕帶式裝置等產品迅速出現在市場上的原因。

除了在手腕上進行測量,頭部也是另一個適合穿戴式裝置的理想位置。例如,以不同風格呈現的頭戴式耳機和無線耳機可以內建嵌入式感測器,以測量諸如心率、血氧濃度(SPO2)和溫度等參數。

第三個適合在身體上配戴穿戴式裝置的位置是胸部。第一代的心率監測器設計就是圍繞在一個胸帶上,這種生物電位測量的原理仍是一項非常準確的技術。今天我們傾向於採用胸部貼片(patch)的方式,因為環繞胸部的背帶配戴起來並不舒服。目前已經有多家製造商投入智慧型貼片的設計,以監測各種重要的參數。

根據身體的位置不同,我們不只面對哪些參數可用於測量的選擇,還要思考應該使用那些技術。以心率測量為例,生物電位測量是最古老的技術之一。利用兩個或更多的電極,就能夠輕鬆地從身體上取得強大的訊號。對於將電路整合在胸帶或頭戴式耳機的裝置而言,這種方法是相當完美的。然而,要在手腕這樣的單點位置測量生物電位訊號幾乎是不可能。你必須在產生這些電子訊號的整個心臟周圍進行測量。

對於單點位置的測量,光學技術更為合適。當光線被送入組織,並反射動脈中血液流動的結果,即可進行擷取與測量。透過此一光學訊號的接收,可以取得心跳資訊。這種技術聽起來相當直接了當。然而,有許多不同的挑戰和影響因素,可能讓這一類的設計變得複雜且困難,例如來自移動和環境光源的影響。

ADI GEN II穿戴式裝置參考平台已經在主板上加入上述的大部份技術了。該裝置可用於設計配戴在手腕的裝置,雖然,你也可以移除軟皮帶,將該裝置加裝在身體上,將其作為智慧貼片使用。該參考平台的裝置包含了支援生物電位測量、光學心率測量、生物阻抗測量、動作追蹤和溫度測量等技術,所有這些技術都整合在一個以微小電池供電的裝置中。

整體目標

為什麼要設計像GEN II智慧手錶這樣的系統?設計類似此一系統的目的在於能夠以一種簡單的方式,測量許多重要的身體參數。該裝置可以同時測量參數並將結果儲存在SD卡上,或透過低功耗藍牙(BLE)無線連接並傳送至智慧型裝置上。由於許多測量是同時進行的,因此該裝置也有助於發現在幾個測量數據間的相關性。生物醫學工程師、演算法供應商以及企業家不斷地尋找新的技術、應用和使用案例,以便儘早在疾病的早期階段進行檢測,盡量減少在疾病發生後期可能對身體造成的負面影響或損害。

單一測量並不具有代表性

新型的穿戴式系統結合了嵌入式感測器、運算處理能力和無線通訊功能,可說是一款獨特的裝置。

例如ADI新一代裝置設計的光學系統是圍繞在光學類比前端(ADPD107)而建構的,使用綠光LED測量光體積變化描記圖(PPG)和心率,而整合的紅外光LED則在裝置附加在人體時進行近接檢測。生物電位心電圖(ECG)的測量則透兩個單獨的數位前端(AD8233)而實現;其中一個前端連接到嵌入在裝置中的電極。位於在裝置背面的一個電極接觸一個肢體,而在裝置頂端的第二電極則由其他肢體(如手)接觸,從而形成一個封閉迴路。第二個類比前端可以透過外部電極實現ECG測量,讓用戶能夠像使用智慧貼片般地穿戴此一裝置,並將外部電極直接連接到胸部。

在裝置背面的電極具有雙重功能,除了ECG測量之外,也可用於測量膚電活動(EDA)。膚電活動或皮膚電流反應(GSR)牽涉到皮膚的傳導性,因為皮膚可能由於情緒或來自內部或外部的刺激而改變其傳導性。GEN II智慧手錶平台能夠偵測到皮膚傳導性的微小變化。該電路是以這一測量原則為基礎,包括其傳送和接收的訊號鏈,完全由離散式電子元件所構成。它能夠在最小的功耗下提供高度的準確性。

最後且同樣重要的是,裝置中還整合了一款可測量皮膚溫度的溫度感測器,以及一款可追蹤動作的3軸超低功耗MEMS感測器(ADXL362)。這可以用來進行動作分析,也可以在其他測量時補償由於動作造成的假影(artifact)。動作通常是一個相當重要的因素,對於心率、SPO2或呼吸率等許多重要參數都非常依賴於活動,所以必須測量身體的動作。當你慢跑時,測得140bpm的心率還不錯,可是如果你坐在沙發上也測到140bpm的心率,可能就要擔心了。透過組合各種感測器的訊號,此一裝置也能夠支援新的應用。

超低功耗的微控制器(ADuCM3029)也整合於此一裝置中,用於收集感測器的數據,並執行演算法。圖2提供在一個感測器板上整合各種裝置的示意圖。

20170915_ADI_TA31P2 圖2:新一代智慧手錶平台的感測器電路板

壓力和持續的血壓

對於心跳速率,通常需要進行ECG或PPG的測量,所以不需要感測器輸出的組合,除非我們想要對動作造成的假影進行補償。需要多種測量的使用案例包括壓力管理或連續性血壓監測等狀況。情緒狀態可以經由監測皮膚傳導的變化加以測量。但這只是其中的一個參數,如果希望這個參數結合其他參數的監測結果,例如心率、心率變異分析(HRV),那麼需要測量的值就會增加。在測量壓力狀態時,皮膚溫度也可以作為額外的輸入。

血壓的監測是另一個有趣的使用實例,這是一項非常重要的參數,但多數的裝置是臂套式的,很難整合於穿戴式或連續性的系統。然而有一些用於血壓測量的技術裝置是不需要用到臂套的,其中之一就是利用測量脈波傳輸時間(PTT)的技術而實現。動脈的PPT訊號能夠利用在R波上所顯示的心臟收縮時刻和脈衝到達指尖的時間來加以測量。這個傳輸時間和血壓有直接的相關。圖3顯示結合PPG的ECG測量。支援ECG和PPG在同一個裝置上進行測量的智慧手錶,就可以用來執行此一測量。

20170915_ADI_TA31P3 圖3:結合PPG的ECG測量結果

從原型到產品

新一代的智慧手錶具有許多高性能的感測器和功能,均嵌入於一款小型的穿戴式裝置中。除了電子設計之外,許多機械方面的安排也一併考慮到了。對於專注在半專業和專業運動市場以及醫療市場的設計公司和裝置製造商而言,這使得此一平台更具有吸引力。它可以同時測量許多參數——然而,也需要相應的演算法用於補償各種應用並支援各種使用案例。這個裝置能夠讓產品開發人員和裝置製造商快速啟動產品開發過程、無需進行演算法驗證,而且在測試之前進行產品建構作業。