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摘要：对于医护人员，精确的诊断和治疗与反映个人健康状况的清晰画面息息相关。通过可穿戴式产品远程查看健康资料的能力促进了医疗保健行业的巨大进步。可穿戴电子通过为患者及其医护人员提供前所未有的清晰健康趋势画面，能直接解决这些问题。Freescale、Intel、Texas Instruments和 Silicon Labs 等制造商现已提供了此类产品和开发套件。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/256088.htm
关键字：嵌入式， 健身， 可穿戴， 低功率， MCU， 电子， 医护， Intel， Edison， 硬件开发， Gecko， Jawbone， 微控制器
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.004
对于医护人员来说，精确的诊断和治疗与反映个人健康状态的清晰画面息息相关。但医护人员还经常需要借助一些医疗场所、诊所或医院的检查，这些检查最多只能提供不断变化的个人健康动态情况的静态快照。但对于个人而言，这便与其上班甚至通过家庭医疗设备进行治疗的需求产生了分歧，常常会演变为无法执行医疗计划。
通过可穿戴式产品远程查看健康资料的能力促进了医疗保健行业的巨大进步。全球移动通信系统协会 （GSMA） 在美国进行的一项慢性心力衰竭患者研究显示，对患者进行远程监视可减少并缩短住院时间。有一项独立的研究表明，远程监视慢性心力衰竭患者可将再次入院几率降低 72%。康体佳健康联盟，一个与 GSMA 类似的由医疗保健机构与技术公司组成的非盈利行业组织，将远程监视或远程医疗视为医疗保健解决方案的关键因素，以解决突飞猛涨的每年耗资逾五千亿美元的慢性疾病难题。
可穿戴电子通过为患者及其医护人员提供前所未有的清晰健康趋势画面，能直接解决这些问题。不同于在医疗场所或医院所获得的重要统计数字的偶然性快照，可穿戴式保健与健康产品提供了反应个人身体状况的长期视图。事实上，更先进的可穿戴式产品甚至还能即时反映健康状态或允许医生进行远程诊断和有限的治疗。
下一代可穿戴式设备
多年来，健身监测器一直用于全天候跟踪用户心率，而更加复杂的可穿戴式设备正在寻求一种能提供持续更新重要诊断数据的方法。以 iHealth Lab 的动态血压监护仪、无线动态心电仪和可穿戴式脉搏血氧仪为例，所有这些产品都结合了可穿戴式传感器系统，将数据通过蓝牙以无线方式传送至智能手机。动态血压监护仪设计在内衣上，以提供全天候监视，而不会影响用户的日常生活。ECG 设备的电极和监护仪集成在一个轻型单位中，可直接贴在用户胸口，并将数据推送到云端以供医护人员访问。同样，脉搏血氧仪通过指套式传感器连接至佩戴舒适的腕带，能提供全天 24小时的血氧饱和度（SpO2）测量。
健身追踪器尺寸很小，能为用户带来持续、舒适、无感的佩戴体验。Garmin Vivofit、LG Lifeband Touch 以及 Sony Core 等下一代健身可穿戴式产品功能强大，为更复杂的应用提供了更多数据，进而能更好的指导健康与健身。（图1）
嵌入式传感器
在此新一代可穿戴式产品迅速崛起的同时，传感器、超低功耗处理器、无线通信、灵活的电子和封装等技术也有了突飞猛进的发展。事实上，将传感器阵列引入服饰中是过去几年的一个重大突破，从而能够开发出舒适而优雅的可穿戴诊断设备。
例如，AiQ 智能衣服将超细不锈钢织进纤维中，使嵌入式传感器形成了导电网状物以监视皮肤温度和环境湿度以及进行心电图、脑电图、肌电图等脑电波测量。此类传感器阵列隐藏在病人长袍和毯子等临床医疗服装中，可以连续无损地为医护人员提供持续的重要统计信息来源。
为降低当前筛查过程中的误诊情况，First Warning Systems 在其智能胸罩中采用了嵌入式传感器技术，旨在以类似于任何其他胸罩的外形提供非放射、无损诊断数据。该公司的智能胸罩中嵌入了多个传感器，收集的数据通过软件进行预测分析，实时向内科医生报告可能的异常。经过多次临床试验证实，First Warning Systems 的技术能够在发现乳腺癌前监视到组织变化，提供了有助于提升当前筛查效果的预警能力。
可穿戴式医疗设备
在提供更加复杂的医疗监测的同时，可穿戴式产品在医疗方面也得以推广应用。例如，Thimble Bioelectronics 正在研发一款小型patch，基于经皮电神经刺激疗法（TENS） 和肌肉电刺激 （EMS） 为局部疼痛提供动态治疗。TENS/EMS 设备将个人与家用设备或安装在理疗师诊疗室的设备连接起来。凭借其能获得长期、立即治疗的能力，移动 patch将能够进一步缓解慢性病疼痛。
Insulet 的 OmniPod 提供了一个可穿戴式胰岛素给药系统，并串联了个人血糖管理器 （PDM）。PDM 将内置血糖仪与胰岛素注入的无线控制结合起来，并通过一个小型可穿戴式胰岛素给药 pod 管理。与传统胰岛素注入系统不同，此款防水型 OmniPod 即使在游泳和淋浴时也可持续佩戴，而不会违反医疗协议或影响积极的生活方式。
为医疗、健康及健身应用创建可穿戴式产品带来了全新、独特的设计挑战。工程师必须在一个超小型生物相容性封装中集成高级传感器系统、低功耗嵌入式系统及无线通信。同时，诸如腕带等可视穿戴式设备必须具有美观、佩戴舒适、式样新颖的配件，并能在充电次数较少时延长使用寿命。
超低功耗 MCU
对于设计人员，解决电源和性能间的需求冲突是面临的最大挑战之一。因此，可穿戴设计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 内核架构。这些高度集成的 MCU 内置了片上 RAM、闪存、定时器、ADC 和多个接口选项，同时提供了多个低功耗模式，在掉电时电流消耗仅 20 nA。因 MCU 极低的功耗要求，Insulet 深信 OmniPod 的两节 AA 电池能为运行能量相对短缺的胰岛素泵保留相当充足的能量。 然而对于 Shine 可穿戴式无线身体活动监测器，Misfit 面临着更加严峻的功耗约束。Misfit 发现需要用户频繁对 Shine 充电势必会影响其作为可持续穿戴监测器的作用。因此，Misfit 通过用户可更换的 CR2032 锂离子电池对 Shine 身体活动监测器供电，预期能为功能丰富的无线应用提供至少四个月的电量。
因其有限的功率预算，Shine 在驱动基于 LED 的用户界面及与智能手机上的 Shine 应用进行无线通信的同时，必须采用一系列复杂算法通过 3 轴加速度计对数据进行处理。因此，Misfit 选择了 Leopard Gecko MCU 来设计 Shine，该 MCU 是 Silicon Laboratories ARM Cortex-M3 内核的超低功耗版本（图 2）。Gecko 的低功耗传感器接口（LESENSE）和外设反射系统（PRS）等特性，允许LESENSE 即使在 MCU 内核休眠时仍能收集传感器数据并通过 PRS 允许外设自治通信，从而降低了系统功耗。
Intel Quark MCU 专为可穿戴式设备及类似的深度嵌入式应用而打造，对于这些应用，低功耗与小尺寸远比原始性能重要。最初的 Quark 设备 X1000 集成了 400 MHz 32 位内核、512 KB SRAM、DDR3 存储器控制器和多个连接选项。但 Intel 逐渐意识到可穿戴式应用对安全性日益增长的要求，便在 X1000 中加入了片上引导ROM，用于为认证提供硬件信任根。
通过 Edison 开发板，Intel 为可穿戴式设计人员提供了非常小（SD卡大小）的平台，其中集成了双核400 MHz Quark、LPDDR2 和 NAND闪存存储器以及 Wi-Fi 和蓝牙低功耗（BLE）连接（图 3 ）。
参考设计
随着更高效电子元件和封装形式的涌现，设计人员将迎来一项巨大的任务：将硬件和软件组件打造成实用的可穿戴式系统设计。为使设计人员与工程师合作应对可穿戴式设备相关的设计难题，制造商提供了参考设计、设计套件和开发框架。例如，可穿戴式参考平台（WaRP）便为一个综合的开源、可扩展可穿戴式设计解决方案（图 4）。WaRP 结合了Freescale i.MX 6SoloLite ARM Cortex-A9 应用处理器、Xtrinsic MMA955xL 智能运动感应平台、FXOS8700CQR1 6 轴数字传感器以及Kynetics 软件和 Rvolution Robotics 硬件。
TI 独家提供了Chronos 个人局域网（PAN）和基于 MSP430 MCU 的传感器节点参考设计以及集成的 sub-GHz无线收发器。Chronos 平台采用运动手表外形，可与心率监测器、压力传感器及其他测量单元进行无线配接。
Movea 联手 TI 和 Xm-Squared 推出了 G 系列可穿戴式腕带参考设计，用于监视包括活动、姿势、睡眠以及运动速度和节奏等各种健康体征。该参考设计结合了Movea 的 Motionsport嵌入式库以及 Xm-Squared 的腕带设计和 Texas Instruments 的低功耗 CC2541 SoC，该Soc 提供了蓝牙低功耗专用2.4 GHz 无线通信。对于医疗应用，该参考设计的某项出色特性可支持进行睡眠分析，并提供接近医院睡眠研究所用多导睡眠图的结果。
结论
可穿戴式产品将解决医疗行业中重要统计数据的质量和及时性问题。通过快速访问长期监测结果，可穿戴式技术可为医护人员更快速、更准确地诊断健康问题提供数据，并能避免突飞猛涨的慢性疾病和疼痛治疗成本。随着先进传感器、超低功耗MCU、灵活电子设备和封装形式的不断涌现，可穿戴式产品在曾是昂贵的医院设备或家用设备的医疗、健身和健康垄断领域中得以推广应用。对于开发人员来说，不断涌现的参考设计和设计套件为涉足可穿戴式产品提供了良好的开端。
关键字：嵌入式， 健身， 可穿戴， 低功率， MCU， 电子， 医护， Intel， Edison， 硬件开发， Gecko， Jawbone， 微控制器
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.004
对于医护人员来说，精确的诊断和治疗与反映个人健康状态的清晰画面息息相关。但医护人员还经常需要借助一些医疗场所、诊所或医院的检查，这些检查最多只能提供不断变化的个人健康动态情况的静态快照。但对于个人而言，这便与其上班甚至通过家庭医疗设备进行治疗的需求产生了分歧，常常会演变为无法执行医疗计划。
通过可穿戴式产品远程查看健康资料的能力促进了医疗保健行业的巨大进步。全球移动通信系统协会 （GSMA） 在美国进行的一项慢性心力衰竭患者研究显示，对患者进行远程监视可减少并缩短住院时间。有一项独立的研究表明，远程监视慢性心力衰竭患者可将再次入院几率降低 72%。康体佳健康联盟，一个与 GSMA 类似的由医疗保健机构与技术公司组成的非盈利行业组织，将远程监视或远程医疗视为医疗保健解决方案的关键因素，以解决突飞猛涨的每年耗资逾五千亿美元的慢性疾病难题。
可穿戴电子通过为患者及其医护人员提供前所未有的清晰健康趋势画面，能直接解决这些问题。不同于在医疗场所或医院所获得的重要统计数字的偶然性快照，可穿戴式保健与健康产品提供了反应个人身体状况的长期视图。事实上，更先进的可穿戴式产品甚至还能即时反映健康状态或允许医生进行远程诊断和有限的治疗。
下一代可穿戴式设备
多年来，健身监测器一直用于全天候跟踪用户心率，而更加复杂的可穿戴式设备正在寻求一种能提供持续更新重要诊断数据的方法。以 iHealth Lab 的动态血压监护仪、无线动态心电仪和可穿戴式脉搏血氧仪为例，所有这些产品都结合了可穿戴式传感器系统，将数据通过蓝牙以无线方式传送至智能手机。动态血压监护仪设计在内衣上，以提供全天候监视，而不会影响用户的日常生活。ECG 设备的电极和监护仪集成在一个轻型单位中，可直接贴在用户胸口，并将数据推送到云端以供医护人员访问。同样，脉搏血氧仪通过指套式传感器连接至佩戴舒适的腕带，能提供全天 24小时的血氧饱和度（SpO2）测量。
健身追踪器尺寸很小，能为用户带来持续、舒适、无感的佩戴体验。Garmin Vivofit、LG Lifeband Touch 以及 Sony Core 等下一代健身可穿戴式产品功能强大，为更复杂的应用提供了更多数据，进而能更好的指导健康与健身。（图1）
嵌入式传感器
在此新一代可穿戴式产品迅速崛起的同时，传感器、超低功耗处理器、无线通信、灵活的电子和封装等技术也有了突飞猛进的发展。事实上，将传感器阵列引入服饰中是过去几年的一个重大突破，从而能够开发出舒适而优雅的可穿戴诊断设备。
例如，AiQ 智能衣服将超细不锈钢织进纤维中，使嵌入式传感器形成了导电网状物以监视皮肤温度和环境湿度以及进行心电图、脑电图、肌电图等脑电波测量。此类传感器阵列隐藏在病人长袍和毯子等临床医疗服装中，可以连续无损地为医护人员提供持续的重要统计信息来源。
为降低当前筛查过程中的误诊情况，First Warning Systems 在其智能胸罩中采用了嵌入式传感器技术，旨在以类似于任何其他胸罩的外形提供非放射、无损诊断数据。该公司的智能胸罩中嵌入了多个传感器，收集的数据通过软件进行预测分析，实时向内科医生报告可能的异常。经过多次临床试验证实，First Warning Systems 的技术能够在发现乳腺癌前监视到组织变化，提供了有助于提升当前筛查效果的预警能力。
可穿戴式医疗设备
在提供更加复杂的医疗监测的同时，可穿戴式产品在医疗方面也得以推广应用。例如，Thimble Bioelectronics 正在研发一款小型patch，基于经皮电神经刺激疗法（TENS） 和肌肉电刺激 （EMS） 为局部疼痛提供动态治疗。TENS/EMS 设备将个人与家用设备或安装在理疗师诊疗室的设备连接起来。凭借其能获得长期、立即治疗的能力，移动 patch将能够进一步缓解慢性病疼痛。
Insulet 的 OmniPod 提供了一个可穿戴式胰岛素给药系统，并串联了个人血糖管理器 （PDM）。PDM 将内置血糖仪与胰岛素注入的无线控制结合起来，并通过一个小型可穿戴式胰岛素给药 pod 管理。与传统胰岛素注入系统不同，此款防水型 OmniPod 即使在游泳和淋浴时也可持续佩戴，而不会违反医疗协议或影响积极的生活方式。
为医疗、健康及健身应用创建可穿戴式产品带来了全新、独特的设计挑战。工程师必须在一个超小型生物相容性封装中集成高级传感器系统、低功耗嵌入式系统及无线通信。同时，诸如腕带等可视穿戴式设备必须具有美观、佩戴舒适、式样新颖的配件，并能在充电次数较少时延长使用寿命。
超低功耗 MCU
对于设计人员，解决电源和性能间的需求冲突是面临的最大挑战之一。因此，可穿戴设计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 内核架构。这些高度集成的 MCU 内置了片上 RAM、闪存、定时器、ADC 和多个接口选项，同时提供了多个低功耗模式，在掉电时电流消耗仅 20 nA。因 MCU 极低的功耗要求，Insulet 深信 OmniPod 的两节 AA 电池能为运行能量相对短缺的胰岛素泵保留相当充足的能量。 然而对于 Shine 可穿戴式无线身体活动监测器，Misfit 面临着更加严峻的功耗约束。Misfit 发现需要用户频繁对 Shine 充电势必会影响其作为可持续穿戴监测器的作用。因此，Misfit 通过用户可更换的 CR2032 锂离子电池对 Shine 身体活动监测器供电，预期能为功能丰富的无线应用提供至少四个月的电量。
因其有限的功率预算，Shine 在驱动基于 LED 的用户界面及与智能手机上的 Shine 应用进行无线通信的同时，必须采用一系列复杂算法通过 3 轴加速度计对数据进行处理。因此，Misfit 选择了 Leopard Gecko MCU 来设计 Shine，该 MCU 是 Silicon Laboratories ARM Cortex-M3 内核的超低功耗版本（图 2）。Gecko 的低功耗传感器接口（LESENSE）和外设反射系统（PRS）等特性，允许LESENSE 即使在 MCU 内核休眠时仍能收集传感器数据并通过 PRS 允许外设自治通信，从而降低了系统功耗。
Intel Quark MCU 专为可穿戴式设备及类似的深度嵌入式应用而打造，对于这些应用，低功耗与小尺寸远比原始性能重要。最初的 Quark 设备 X1000 集成了 400 MHz 32 位内核、512 KB SRAM、DDR3 存储器控制器和多个连接选项。但 Intel 逐渐意识到可穿戴式应用对安全性日益增长的要求，便在 X1000 中加入了片上引导ROM，用于为认证提供硬件信任根。
通过 Edison 开发板，Intel 为可穿戴式设计人员提供了非常小（SD卡大小）的平台，其中集成了双核400 MHz Quark、LPDDR2 和 NAND闪存存储器以及 Wi-Fi 和蓝牙低功耗（BLE）连接（图 3 ）。
参考设计
随着更高效电子元件和封装形式的涌现，设计人员将迎来一项巨大的任务：将硬件和软件组件打造成实用的可穿戴式系统设计。为使设计人员与工程师合作应对可穿戴式设备相关的设计难题，制造商提供了参考设计、设计套件和开发框架。例如，可穿戴式参考平台（WaRP）便为一个综合的开源、可扩展可穿戴式设计解决方案（图 4）。WaRP 结合了Freescale i.MX 6SoloLite ARM Cortex-A9 应用处理器、Xtrinsic MMA955xL 智能运动感应平台、FXOS8700CQR1 6 轴数字传感器以及Kynetics 软件和 Rvolution Robotics 硬件。
TI 独家提供了Chronos 个人局域网（PAN）和基于 MSP430 MCU 的传感器节点参考设计以及集成的 sub-GHz无线收发器。Chronos 平台采用运动手表外形，可与心率监测器、压力传感器及其他测量单元进行无线配接。
Movea 联手 TI 和 Xm-Squared 推出了 G 系列可穿戴式腕带参考设计，用于监视包括活动、姿势、睡眠以及运动速度和节奏等各种健康体征。该参考设计结合了Movea 的 Motionsport嵌入式库以及 Xm-Squared 的腕带设计和 Texas Instruments 的低功耗 CC2541 SoC，该Soc 提供了蓝牙低功耗专用2.4 GHz 无线通信。对于医疗应用，该参考设计的某项出色特性可支持进行睡眠分析，并提供接近医院睡眠研究所用多导睡眠图的结果。
结论
可穿戴式产品将解决医疗行业中重要统计数据的质量和及时性问题。通过快速访问长期监测结果，可穿戴式技术可为医护人员更快速、更准确地诊断健康问题提供数据，并能避免突飞猛涨的慢性疾病和疼痛治疗成本。随着先进传感器、超低功耗MCU、灵活电子设备和封装形式的不断涌现，可穿戴式产品在曾是昂贵的医院设备或家用设备的医疗、健身和健康垄断领域中得以推广应用。对于开发人员来说，不断涌现的参考设计和设计套件为涉足可穿戴式产品提供了良好的开端。