仿生传感技术引领全新健康生活 - 全文

　　半导体技术的发展使得全新便携和可穿戴式生物感测和监视器件成为可能，这些器件可帮助人们提高医疗水平，有助于养生并推进健身活动的发展。

　　在全世界范围内，人口日趋老龄化，随之而来的是对医疗资源的需求越来越大。根据联合国的人口预测，到2025年，世界上超过五分之一的人口（接近20亿人）将超过60岁。其中很多人生活在发展中国家，在这些国家中，逐渐提高的生活水平也使得60岁以下人群对于公共医疗卫生服务的需求越来越高。在美国，近期的政策变化已经使成百上千万人涌入到越来越拥挤的公共医疗系统，而从全球角度来讲，互联网正在帮助消费者在需要医疗护理时可以有更多的选择余地。这只是其中的几个发展方向，他们突出强调了目前以及未来的几年将更加有效的医疗服务提供给更多人群的重要性。

　　从某种程度来讲，解决资源短缺问题需要更多的医生、护士、医院、药品供应，以及其他一些与治疗相关的基本要素。但是，即使在传统的医院环境中，也需要提高资源和设备的有效性以满足需要。此外，虽然有可能提供必要的医疗人员和设施，但是也需要人口中的每个个体更加注意个人健康。人们必须关心自身的健康状况，从而通过保持健康和良好的身体状态来限制他们对于某些专业医疗服务的需要。社会作为一个整体，在北美和全世界范围内，在我们寻求全新的解决方法来应对我们所面临的巨大医疗挑战的时候，我们必须学会引领更加健康的生活方式。在临床和住所环境内，能够帮助我们应对这些挑战的一个重要因素就是电子技术，其中包括诸如居家和外出活动时可使用的生物激励感测和健康监视领域所取得的进展。

　　图1.高端医疗设备中的 IC 技术的快速变化可实现廉价的全新健康和健身应用。

　　IC 技术的变化

　　如果没有集成电路 （IC） 技术的发展，人们就无法体会到越来越普及的生物感测和电子健康监视所带来的影响。总的来说，是较高端的终端应用将 IC 性能提升到之前无法企及的高度。但是性能只是半导体领域三项创新中的一个（这三项创新的英文表达均以字母P开头），另外两个是功率耗散和价格。这三个方面所取得的进展创造出全新的市场机会。高端性能技术快速成熟，并且被优化为集成度更高、尺寸更小、功效更佳的技术。这些进展可以帮助这项技术从高端系统快速进入更广泛的使用和应用领域。同时，这个周期循环往复，随着针对高性能系统的全新技术被再次开发出来，这个周期将一直持续下去。

　　现如今，这一迁移发生在健康技术的多个领域。例如，在图1中，大约在1903年开发出的实用心电图 （ECG） 体积非常大并且不可移动，病人需要将四肢浸入到装有盐溶液的容器中来记录 ECG。虽然基本原理并未发生变化，但这个电子仪器已经从笨重的实验室装置发展成为任何一家医院均在使用的小巧电子系统。并且，他还在进一步演变为传统医院环境之外的广泛生物感测和生物激励应用，其中包括运动手表，甚至是游戏系统。在这些应用中，心率被用来监测玩家在游戏难度发生变化时的实时情感状态。

　　跟踪我们健康状况的新方法

　　随着这项技术的不断演变，基于模拟和嵌入式处理技术的电子系统使得人们能够以全新的方式将生物感测和健康监视融入到他们的日常生活中。按照图2所示，如今的电子器件佩带起来并不难看，甚至可以说很时尚，佩带的地点可以是手腕、腿部、胸部或身体的其他部位，或者与感测个人数据的便携式电子配件组合在一起。这些器件与处理、存储和显示信息的智能手机应用或者其他中央程序经常无线通信。这些类型的个人和可穿戴式感测电子元器件是消费类和家用健康产业的主要趋势。从未像现在这么容易地通过可穿戴式电子器件关注自己的身体数据并对自己的健康负责。

　　图2.目前半导体技术的发展可实现可靠、连续的健康监控。

　　这些数据中的很多内容包含看起来比较传统的脉搏、脉动血氧水平、血糖度和其他生命体征的读数，这些读数可以帮助人们了解自身的健康状况。不过，即使在这些传统生物感测应用中，可穿戴式无线电子器件可会有全新的使用方法。例如，在早些年，心律不齐或者特定的心律失常的诊断会是一个问题。如果在医院进行ECG时心律失常并未出现，那么医生在相当长的时间内很难知道这个健康问题。如今，事件监视器已经出现，并且能够在正常活动时佩带，直到这一症状很明显并被仪器记录下来。通常情况下，佩带时间会最多持续两个月。很多事件监视器会将已记录心脏电活动直接报告给医生。通过这种方法，医生能够将他们的观察范围拓展至临床范围以外，而健康状况保持稳定的病人也就不需要太多的后续就医。

　　由于这些类型器件中所使用的电子电路越来越小、能耗越来越低，未来会出现更多的全新使用和应用。而这些应用将会涉及病人生活的全部健康领域，从而提供预防为主、成本有效性更高的治疗方法。与此同时，廉价的、便捷的监视系统将通过零售商店向大众提供，这使得每个人在保健和养生方面发挥积极作用。

——本文选自电子发烧友网12月《智慧家庭特刊》Change The World栏目。

　　生物激励技术拓展至全新领域

　　最终，半导体技术的发展将使得这些生物感测和监视系统扩展至全新的生物激励领域，从而有助于保证人们的健康安全并为他们注入活力。例如，小型ECG中使用的类似技术将会使得肌电图 （EMG） 电子器件的使用更加商业化，此类器件可以通过测量软组织内的电活动来精确计算肌肉活动。使用EMG技术监视肌肉运动的电子器件可推广基于肌肉控制的应用。他们能够提高老年人、病人或残疾人的活动能力，例如在一定距离之外打开电灯和电视，而运动控制类计算机游戏和仿真训练似乎已将他们的应用发挥到极致，但是他们的发展并不止步于此。与其他运动类电子器件组合在一起，基于EMG的技术甚至可以帮助解释某个人走路时与踩单车时小腿后部肌肉收缩程度的不同。

　　电子技术的另外一个全新使用来自脉搏血氧饱和度分析电子器件。在这些电子装置中，将两类不同波长的光透过病人的手指投射到一个光电二极管上来测量血氧水平。测量每个波长光上发生变化的氧气吸收率，从而确定脉冲动脉血本身造成的吸收率。这种光学测量类型中采用的电子装置也可被配置为全新类型的心率监视器。如图3所示，不是去测量血氧水平，而是用发光二极管 （LED） 来照亮皮肤，然后测量透射或反射到一个光电二极管的光量来监测每个心动周期所导致的动脉血量的变化。每个心动周期表现为一个峰值，此峰值与一次心跳相关联。这种基于光学的心率感测技术类型的使用也会变得十分普遍。此类技术会形成整个全新的运动和健身心率监视器以及配件市场。这些监视器和配件能够在手腕或其他与皮肤的地方执行测量，同时又不用佩戴使人感到不适的胸带。

　　更多的未来应用也会从此类先进的生物激励电子技术中受益。由于有其他多个生理系统会对流向皮肤的血液流量进行调节，同样类型的光学方法也可被用来监视呼吸和其他循环系统的生理状况。组装在其他系统中（诸如汽车的方向盘）的光学传感器，通过心率或呼吸相关性测量，可以用简单的手掌接触方式采集驾驶员信息，例如焦虑水平或疲劳程度。这些应用，以及生物激励感测的其他用法一定会将健康、健身和安全意识引入到我们生活的方方面面。

　　图3. 可以用发光二极管 （LED） 来照亮皮肤，然后测量反射到一个光电二极管的光量来监测每个心动周期。

　　TI解决方案有助于满足系统要求

　　健康和健身电子装置必须小巧、重量轻并且薄，这样才能使他们易于佩带或者组装到便携式配件中。这些电子器件还要在无需再次充电的情况下运转很长时间，因为即使每天充电一次，用户也会觉得比较麻烦。为了满足这些要求，电子电路通常需要将高级感测和信号调节组合到全集成模拟前端 （AFE），以实现系统优化。如果需要其他数据处理能力，功耗极低的微控制器 （MCU） 可以存储算法并且执行必要的计算。这些系统经常需要无线通信，这样的话，智能手机或其他器件可以访问或显示信息，并且将这些信息传递至医疗人员能够访问的中央系统。这些核心系统功能全都依赖于调节电池电量使用和存储的电源管理器件。在某些情况下，其他IC可被用来调节来自佩带人员体温或运动的能量采集。

　　基于这些要求，TI正在开发可实现下一代健康和健身应用的全新技术，其中包括针对生物激励和其他感测应用设计人员的多种高集成AFE器件。其他TI技术还包括大范围的MSP430TM MCU。低功耗ZigBee和Bluetooth无线互联互通解决方案，以及电源管理器件的领先产品组合可选择进行体温和身体运动的能量采集。针对生物激励感测应用的另外一个重要特色领域是TI的先进封装技术，它可提供晶圆级芯片封装 （WCSP），以便在可穿戴设备中实现最薄、最小的芯片安装。

　　健康和健身应用的参考设计

　　全新健康和健身产品的开发人员常常是小公司中的创新者，他们在系统设计方面也许缺乏足够的专业知识，所以IC解决方案需要具有良好的技术支持、灵活性并且易于使用。通过其TIDesigns 参考设计库，TI可以满足这些开发人员的需要。通过使用电路原理图、方框图、物料清单 （BOM）、设计文件和测试报告，设计人员可以使用整个综合性的参考设计库，以便在系统设计方面占得先机，加快产品上市时间。

　　图4. TIDesigns 光学心率参考设计。

　　涵盖了TI的模拟、嵌入式处理器和连通性产品的产品组合，这些参考设计由深入了解系统和产品知识的技术专家创作而成。多种健康和健身应用TIDesigns可提供完整的、端到端解决方案，这些解决方案具有针对传感器和信号调节的AFE，加上超低功耗MCU和Bluetooth低能耗连通性。

　　图4中就是这样一个TIDesign （TIDA-00011），其中展示了一个典型的光学、佩带在手腕上的心率系统应用。这个手腕佩带式心率监视器参考设计说明了TI技术是如何组合在一起来提供完整解决方案的。使用一个LED到光电二极管光信号的转换，TI的AFE4400感测由佩带者脉搏跳动所引起的皮肤表面变化，然后将模拟信号放大并转换为数字信号，然后再将此数字信号传递给MSP430 MCU。基于TI SimpleLinkTM Bluetooth低能耗CC2541无线MCU的模块提供到智能手机或其他本地系统的无线连接。非易失性铁电随机存储器提供数据记录功能，而加速计感测身体运动。此参考设计还包括管理电池电量和不同系统功能的器件。希望设计此类终端设备的开发人员可以从TI直接访问所有内容，原样搭建这一系统，并且立即运行。在这里，要定制解决方案，开发人员只需添加其自己的知识产权即可。

　　提升监视功能，帮助创建一个更健康的世界

　　全球人口老龄化日趋严重。发展中国家较高的生活水平。越来越精明的医疗消费者。所有这些因素都促使医疗形式发生根本性的变化。在这种全新的医疗形式中，医疗人员的能力得以拓展，并且使得普通人能够更加有效地关注个人健康状况。

　　先进的电子技术正在帮助我们用全新的生物激励感测和监视器件来应对这些挑战。这些治疗器件在佩带上比较隐蔽，而又能帮助我们时刻了解我们身体状态和健康情况。这些发展中的很多内容得益于大型医院系统向小型化、可穿戴器件的长期技术迁移和演变，而同样的IC技术也被扩展至其他安全和移动领域。

　　TI，作为大范围医疗、健康和健身设备中所使用的IC器件的领先供应商，用其渊博的专业知识来应对高性能和大批量应用所带来的挑战。当全世界都在寻找新方法来满足不断增长的医疗服务需要的时候，TI正在加紧创新，每一天都未曾停止，力求提供那些使人们生活得更开心、更健康的IC技术。

　　TIDesigns光学心率参考设计：www.ti.com/corp-inn-innmed-wp-tidesigns