【導(dǎo)讀】如果沒有集成電路技術(shù)的發(fā)展，人們就無法體會(huì)到越來越普及的生物感測(cè)和電子健康監(jiān)視所帶來的影響。全球人口老齡化日趨嚴(yán)重。發(fā)展中國(guó)家較高的生活水平。越來越精明的醫(yī)療消費(fèi)者。所有這些因素都促使醫(yī)療形式發(fā)生根本性的變化。
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得全新便攜和可穿戴式生物感測(cè)和監(jiān)視器件成為可能，這些器件可幫助人們提高醫(yī)療水平，有助于養(yǎng)生并推進(jìn)健身活動(dòng)的發(fā)展。
在全世界范圍內(nèi)，人口日趨老齡化，隨之而來的是對(duì)醫(yī)療資源的需求越來越大。根據(jù)聯(lián)合國(guó)的人口預(yù)測(cè)，到2025年，世界上超過五分之一的人口（接近20億人）將超過60歲。其中很多人生活在發(fā)展中國(guó)家，在這些國(guó)家中，逐漸提高的生活水平也使得60歲以下人群對(duì)于公共醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的需求越來越高。在美國(guó)，近期的政策變化已經(jīng)使成百上千萬人涌入到越來越擁擠的公共醫(yī)療系統(tǒng)，而從全球角度來講，互聯(lián)網(wǎng)正在幫助消費(fèi)者在需要醫(yī)療護(hù)理時(shí)可以有更多的選擇余地。這只是其中的幾個(gè)發(fā)展方向，他們突出強(qiáng)調(diào)了目前以及未來的幾年將更加有效的醫(yī)療服務(wù)提供給更多人群的重要性。
從某種程度來講，解決資源短缺問題需要更多的醫(yī)生、護(hù)士、醫(yī)院、藥品供應(yīng)，以及其他一些與治療相關(guān)的基本要素。但是，即使在傳統(tǒng)的醫(yī)院環(huán)境中，也需要提高資源和設(shè)備的有效性以滿足需要。此外，雖然有可能提供必要的醫(yī)療人員和設(shè)施，但是也需要人口中的每個(gè)個(gè)體更加注意個(gè)人健康。人們必須關(guān)心自身的健康狀況，從而通過保持健康和良好的身體狀態(tài)來限制他們對(duì)于某些專業(yè)醫(yī)療服務(wù)的需要。社會(huì)作為一個(gè)整體，在北美和全世界范圍內(nèi)，在我們尋求全新的解決方法來應(yīng)對(duì)我們所面臨的巨大醫(yī)療挑戰(zhàn)的時(shí)候，我們必須學(xué)會(huì)引領(lǐng)更加健康的生活方式。在臨床和住所環(huán)境內(nèi)，能夠幫助我們應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的一個(gè)重要因素就是電子技術(shù)，其中包括諸如居家和外出活動(dòng)時(shí)可使用的生物激勵(lì)感測(cè)和健康監(jiān)視領(lǐng)域所取得的進(jìn)展。
圖1.高端醫(yī)療設(shè)備中的 IC 技術(shù)的快速變化可實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的全新健康和健身應(yīng)用。
IC 技術(shù)的變化
如果沒有集成電路 （IC） 技術(shù)的發(fā)展，人們就無法體會(huì)到越來越普及的生物感測(cè)和電子健康監(jiān)視所帶來的影響。總的來說，是較高端的終端應(yīng)用將 IC 性能提升到之前無法企及的高度。但是性能只是半導(dǎo)體領(lǐng)域三項(xiàng)創(chuàng)新中的一個(gè)（這三項(xiàng)創(chuàng)新的英文表達(dá)均以字母P開頭），另外兩個(gè)是功率耗散和價(jià)格。這三個(gè)方面所取得的進(jìn)展創(chuàng)造出全新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。高端性能技術(shù)快速成熟，并且被優(yōu)化為集成度更高、尺寸更小、功效更佳的技術(shù)。這些進(jìn)展可以幫助這項(xiàng)技術(shù)從高端系統(tǒng)快速進(jìn)入更廣泛的使用和應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，這個(gè)周期循環(huán)往復(fù)，隨著針對(duì)高性能系統(tǒng)的全新技術(shù)被再次開發(fā)出來，這個(gè)周期將一直持續(xù)下去。
現(xiàn)如今，這一遷移發(fā)生在健康技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域。例如，在圖1中，大約在1903年開發(fā)出的實(shí)用心電圖 （ECG） 體積非常大并且不可移動(dòng)，病人需要將四肢浸入到裝有鹽溶液的容器中來記錄 ECG。雖然基本原理并未發(fā)生變化，但這個(gè)電子儀器已經(jīng)從笨重的實(shí)驗(yàn)室裝置發(fā)展成為任何一家醫(yī)院均在使用的小巧電子系統(tǒng)。并且，他還在進(jìn)一步演變?yōu)閭鹘y(tǒng)醫(yī)院環(huán)境之外的廣泛生物感測(cè)和生物激勵(lì)應(yīng)用，其中包括運(yùn)動(dòng)手表，甚至是游戲系統(tǒng)。在這些應(yīng)用中，心率被用來監(jiān)測(cè)玩家在游戲難度發(fā)生變化時(shí)的實(shí)時(shí)情感狀態(tài)。
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跟蹤我們健康狀況的新方法
隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷演變，基于模擬和嵌入式處理技術(shù)的電子系統(tǒng)使得人們能夠以全新的方式將生物感測(cè)和健康監(jiān)視融入到他們的日常生活中。按照?qǐng)D2所示，如今的電子器件佩帶起來并不難看，甚至可以說很時(shí)尚，佩帶的地點(diǎn)可以是手腕、腿部、胸部或身體的其他部位，或者與感測(cè)個(gè)人數(shù)據(jù)的便攜式電子配件組合在一起。這些器件與處理、存儲(chǔ)和顯示信息的智能手機(jī)應(yīng)用或者其他中央程序經(jīng)常無線通信。這些類型的個(gè)人和可穿戴式感測(cè)電子元器件是消費(fèi)類和家用健康產(chǎn)業(yè)的主要趨勢(shì)。從未像現(xiàn)在這么容易地通過可穿戴式電子器件關(guān)注自己的身體數(shù)據(jù)并對(duì)自己的健康負(fù)責(zé)。
圖2.目前半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)可靠、連續(xù)的健康監(jiān)控。
這些數(shù)據(jù)中的很多內(nèi)容包含看起來比較傳統(tǒng)的脈搏、脈動(dòng)血氧水平、血糖度和其他生命體征的讀數(shù)，這些讀數(shù)可以幫助人們了解自身的健康狀況。不過，即使在這些傳統(tǒng)生物感測(cè)應(yīng)用中，可穿戴式無線電子器件可會(huì)有全新的使用方法。例如，在早些年，心律不齊或者特定的心律失常的診斷會(huì)是一個(gè)問題。如果在醫(yī)院進(jìn)行ECG時(shí)心律失常并未出現(xiàn)，那么醫(yī)生在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)很難知道這個(gè)健康問題。如今，事件監(jiān)視器已經(jīng)出現(xiàn)，并且能夠在正常活動(dòng)時(shí)佩帶，直到這一癥狀很明顯并被儀器記錄下來。通常情況下，佩帶時(shí)間會(huì)最多持續(xù)兩個(gè)月。很多事件監(jiān)視器會(huì)將已記錄心臟電活動(dòng)直接報(bào)告給醫(yī)生。通過這種方法，醫(yī)生能夠?qū)⑺麄兊挠^察范圍拓展至臨床范圍以外，而健康狀況保持穩(wěn)定的病人也就不需要太多的后續(xù)就醫(yī)。
由于這些類型器件中所使用的電子電路越來越小、能耗越來越低，未來會(huì)出現(xiàn)更多的全新使用和應(yīng)用。而這些應(yīng)用將會(huì)涉及病人生活的全部健康領(lǐng)域，從而提供預(yù)防為主、成本有效性更高的治療方法。與此同時(shí)，廉價(jià)的、便捷的監(jiān)視系統(tǒng)將通過零售商店向大眾提供，這使得每個(gè)人在保健和養(yǎng)生方面發(fā)揮積極作用。
生物激勵(lì)技術(shù)拓展至全新領(lǐng)域
最終，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展將使得這些生物感測(cè)和監(jiān)視系統(tǒng)擴(kuò)展至全新的生物激勵(lì)領(lǐng)域，從而有助于保證人們的健康安全并為他們注入活力。例如，小型ECG中使用的類似技術(shù)將會(huì)使得肌電圖 （EMG） 電子器件的使用更加商業(yè)化，此類器件可以通過測(cè)量軟組織內(nèi)的電活動(dòng)來精確計(jì)算肌肉活動(dòng)。使用EMG技術(shù)監(jiān)視肌肉運(yùn)動(dòng)的電子器件可推廣基于肌肉控制的應(yīng)用。他們能夠提高老年人、病人或殘疾人的活動(dòng)能力，例如在一定距離之外打開電燈和電視，而運(yùn)動(dòng)控制類計(jì)算機(jī)游戲和仿真訓(xùn)練似乎已將他們的應(yīng)用發(fā)揮到極致，但是他們的發(fā)展并不止步于此。與其他運(yùn)動(dòng)類電子器件組合在一起，基于EMG的技術(shù)甚至可以幫助解釋某個(gè)人走路時(shí)與踩單車時(shí)小腿后部肌肉收縮程度的不同。
電子技術(shù)的另外一個(gè)全新使用來自脈搏血氧飽和度分析電子器件。在這些電子裝置中，將兩類不同波長(zhǎng)的光透過病人的手指投射到一個(gè)光電二極管上來測(cè)量血氧水平。測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)光上發(fā)生變化的氧氣吸收率，從而確定脈沖動(dòng)脈血本身造成的吸收率。這種光學(xué)測(cè)量類型中采用的電子裝置也可被配置為全新類型的心率監(jiān)視器。如圖3所示，不是去測(cè)量血氧水平，而是用發(fā)光二極管 （LED） 來照亮皮膚，然后測(cè)量透射或反射到一個(gè)光電二極管的光量來監(jiān)測(cè)每個(gè)心動(dòng)周期所導(dǎo)致的動(dòng)脈血量的變化。每個(gè)心動(dòng)周期表現(xiàn)為一個(gè)峰值，此峰值與一次心跳相關(guān)聯(lián)。這種基于光學(xué)的心率感測(cè)技術(shù)類型的使用也會(huì)變得十分普遍。此類技術(shù)會(huì)形成整個(gè)全新的運(yùn)動(dòng)和健身心率監(jiān)視器以及配件市場(chǎng)。這些監(jiān)視器和配件能夠在手腕或其他與皮膚的地方執(zhí)行測(cè)量，同時(shí)又不用佩戴使人感到不適的胸帶。
更多的未來應(yīng)用也會(huì)從此類先進(jìn)的生物激勵(lì)電子技術(shù)中受益。由于有其他多個(gè)生理系統(tǒng)會(huì)對(duì)流向皮膚的血液流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，同樣類型的光學(xué)方法也可被用來監(jiān)視呼吸和其他循環(huán)系統(tǒng)的生理狀況。組裝在其他系統(tǒng)中（諸如汽車的方向盤）的光學(xué)傳感器，通過心率或呼吸相關(guān)性測(cè)量，可以用簡(jiǎn)單的手掌接觸方式采集駕駛員信息，例如焦慮水平或疲勞程度。這些應(yīng)用，以及生物激勵(lì)感測(cè)的其他用法一定會(huì)將健康、健身和安全意識(shí)引入到我們生活的方方面面。
圖3. 可以用發(fā)光二極管 （LED） 來照亮皮膚，然后測(cè)量反射到一個(gè)光電二極管的光量來監(jiān)測(cè)每個(gè)心動(dòng)周期。
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TI解決方案有助于滿足系統(tǒng)要求
健康和健身電子裝置必須小巧、重量輕并且薄，這樣才能使他們易于佩帶或者組裝到便攜式配件中。這些電子器件還要在無需再次充電的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)榧词姑刻斐潆娨淮危脩粢矔?huì)覺得比較麻煩。為了滿足這些要求，電子電路通常需要將高級(jí)感測(cè)和信號(hào)調(diào)節(jié)組合到全集成模擬前端 （AFE），以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。如果需要其他數(shù)據(jù)處理能力，功耗極低的微控制器 （MCU） 可以存儲(chǔ)算法并且執(zhí)行必要的計(jì)算。這些系統(tǒng)經(jīng)常需要無線通信，這樣的話，智能手機(jī)或其他器件可以訪問或顯示信息，并且將這些信息傳遞至醫(yī)療人員能夠訪問的中央系統(tǒng)。這些核心系統(tǒng)功能全都依賴于調(diào)節(jié)電池電量使用和存儲(chǔ)的電源管理器件。在某些情況下，其他IC可被用來調(diào)節(jié)來自佩帶人員體溫或運(yùn)動(dòng)的能量采集。
基于這些要求，TI正在開發(fā)可實(shí)現(xiàn)下一代健康和健身應(yīng)用的全新技術(shù)，其中包括針對(duì)生物激勵(lì)和其他感測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員的多種高集成AFE器件。其他TI技術(shù)還包括大范圍的MSP430(＄2.0250)TM MCU。低功耗ZigBee和Bluetooth無線互聯(lián)互通解決方案，以及電源管理器件的領(lǐng)先產(chǎn)品組合可選擇進(jìn)行體溫和身體運(yùn)動(dòng)的能量采集。針對(duì)生物激勵(lì)感測(cè)應(yīng)用的另外一個(gè)重要特色領(lǐng)域是TI的先進(jìn)封裝技術(shù)，它可提供晶圓級(jí)芯片封裝 （WCSP），以便在可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)最薄、最小的芯片安裝。
健康和健身應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)
全新健康和健身產(chǎn)品的開發(fā)人員常常是小公司中的創(chuàng)新者，他們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)方面也許缺乏足夠的專業(yè)知識(shí)，所以IC解決方案需要具有良好的技術(shù)支持、靈活性并且易于使用。通過其TIDesigns 參考設(shè)計(jì)庫(kù)，TI可以滿足這些開發(fā)人員的需要。通過使用電路原理圖、方框圖、物料清單 （BOM）、設(shè)計(jì)文件和測(cè)試報(bào)告，設(shè)計(jì)人員可以使用整個(gè)綜合性的參考設(shè)計(jì)庫(kù)，以便在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面占得先機(jī)，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
涵蓋了TI的模擬、嵌入式處理器和連通性產(chǎn)品的產(chǎn)品組合，這些參考設(shè)計(jì)由深入了解系統(tǒng)和產(chǎn)品知識(shí)的技術(shù)專家創(chuàng)作而成。多種健康和健身應(yīng)用TIDesigns可提供完整的、端到端解決方案，這些解決方案具有針對(duì)傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)的AFE，加上超低功耗MCU和Bluetooth低能耗連通性。
圖4中就是這樣一個(gè)TIDesign （TIDA-00011），其中展示了一個(gè)典型的光學(xué)、佩帶在手腕上的心率系統(tǒng)應(yīng)用。這個(gè)手腕佩帶式心率監(jiān)視器參考設(shè)計(jì)說明了TI技術(shù)是如何組合在一起來提供完整解決方案的。使用一個(gè)LED到光電二極管光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，TI的AFE4400(＄3.3188)感測(cè)由佩帶者脈搏跳動(dòng)所引起的皮膚表面變化，然后將模擬信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再將此數(shù)字信號(hào)傳遞給MSP430(＄2.0250) MCU。基于TI SimpleLinkTM Bluetooth低能耗CC2541(＄2.3625)無線MCU的模塊提供到智能手機(jī)或其他本地系統(tǒng)的無線連接。非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器提供數(shù)據(jù)記錄功能，而加速計(jì)感測(cè)身體運(yùn)動(dòng)。此參考設(shè)計(jì)還包括管理電池電量和不同系統(tǒng)功能的器件。希望設(shè)計(jì)此類終端設(shè)備的開發(fā)人員可以從TI直接訪問所有內(nèi)容，原樣搭建這一系統(tǒng)，并且立即運(yùn)行。在這里，要定制解決方案，開發(fā)人員只需添加其自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)即可。
提升監(jiān)視功能，幫助創(chuàng)建一個(gè)更健康的世界
全球人口老齡化日趨嚴(yán)重。發(fā)展中國(guó)家較高的生活水平。越來越精明的醫(yī)療消費(fèi)者。所有這些因素都促使醫(yī)療形式發(fā)生根本性的變化。在這種全新的醫(yī)療形式中，醫(yī)療人員的能力得以拓展，并且使得普通人能夠更加有效地關(guān)注個(gè)人健康狀況。
先進(jìn)的電子技術(shù)正在幫助我們用全新的生物激勵(lì)感測(cè)和監(jiān)視器件來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。這些治療器件在佩帶上比較隱蔽，而又能幫助我們時(shí)刻了解我們身體狀態(tài)和健康情況。這些發(fā)展中的很多內(nèi)容得益于大型醫(yī)院系統(tǒng)向小型化、可穿戴器件的長(zhǎng)期技術(shù)遷移和演變，而同樣的IC技術(shù)也被擴(kuò)展至其他安全和移動(dòng)領(lǐng)域。
TI，作為大范圍醫(yī)療、健康和健身設(shè)備中所使用的IC器件的領(lǐng)先供應(yīng)商，用其淵博的專業(yè)知識(shí)來應(yīng)對(duì)高性能和大批量應(yīng)用所帶來的挑戰(zhàn)。當(dāng)全世界都在尋找新方法來滿足不斷增長(zhǎng)的醫(yī)療服務(wù)需要的時(shí)候，TI正在加緊創(chuàng)新，每一天都未曾停止，力求提供那些使人們生活得更開心、更健康的IC技術(shù)。
