半導體技術(shù)的發(fā)展使得全新便攜和可穿戴式生物感測和監(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)生并推進健身活動的發(fā)展。

 

在全世界范圍內(nèi)，人口日趨老齡化，隨之而來的是對醫(yī)療資源的需求越來越大。根據(jù)聯(lián)合國的人口預測，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)展中國家，在這些國家中，逐漸提高的生活水平也使得60歲以下人群對于公共醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的需求越來越高。在美國，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)正在幫助消費者在需要醫(yī)療護理時可以有更多的選擇余地。這只是其中的幾個發(fā)展方向，他們突出強調(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個體更加注意個人健康。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)來限制他們對于某些專業(yè)醫(yī)療服務(wù)的需要。社會作為一個整體，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)對我們所面臨的巨大醫(yī)療挑戰(zhàn)的時候，我們必須學會引領(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)對這些挑戰(zhàn)的一個重要因素就是電子技術(shù)，其中包括諸如居家和外出活動時可使用的生物激勵感測和健康監(jiān)視領(lǐng)域所取得的進展。
 

圖1.高端醫(yī)療設(shè)備中的 IC 技術(shù)的快速變化可實現(xiàn)廉價的全新健康和健身應(yīng)用。

 

 

如果沒有集成電路 （IC） 技術(shù)的發(fā)展，人們就無法體會到越來越普及的生物感測和電子健康監(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。但是性能只是半導體領(lǐng)域三項創(chuàng)新中的一個（這三項創(chuàng)新的英文表達均以字母P開頭），另外兩個是功率耗散和價格。這三個方面所取得的進展創(chuàng)造出全新的市場機會。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)。這些進展可以幫助這項技術(shù)從高端系統(tǒng)快速進入更廣泛的使用和應(yīng)用領(lǐng)域。同時，這個周期循環(huán)往復，隨著針對高性能系統(tǒng)的全新技術(shù)被再次開發(fā)出來，這個周期將一直持續(xù)下去。

 

現(xiàn)如今，這一遷移發(fā)生在健康技術(shù)的多個領(lǐng)域。例如，在圖1中，大約在1903年開發(fā)出的實用心電圖 （ECG） 體積非常大并且不可移動，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，但這個電子儀器已經(jīng)從笨重的實驗室裝置發(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，他還在進一步演變?yōu)閭鹘y(tǒng)醫(yī)院環(huán)境之外的廣泛生物感測和生物激勵應(yīng)用，其中包括運動手表，甚至是游戲系統(tǒng)。在這些應(yīng)用中，心率被用來監(jiān)測玩家在游戲難度發(fā)生變化時的實時情感狀態(tài)。

 

隨著這項技術(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和健康監(jiān)視融入到他們的日常生活中。按照圖2所示，如今的電子器件佩帶起來并不難看，甚至可以說很時尚，佩帶的地點可以是手腕、腿部、胸部或身體的其他部位，或者與感測個人數(shù)據(jù)的便攜式電子配件組合在一起。這些器件與處理、存儲和顯示信息的智能手機應(yīng)用或者其他中央程序經(jīng)常無線通信。這些類型的個人和可穿戴式感測電子元器件是消費類和家用健康產(chǎn)業(yè)的主要趨勢。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)并對自己的健康負責。

圖2.目前半導體技術(shù)的發(fā)展可實現(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)生物感測應(yīng)用中，可穿戴式無線電子器件可會有全新的使用方法。例如，在早些年，心律不齊或者特定的心律失常的診斷會是一個問題。如果在醫(yī)院進行ECG時心律失常并未出現(xiàn)，那么醫(yī)生在相當長的時間內(nèi)很難知道這個健康問題。如今，事件監(jiān)視器已經(jīng)出現(xiàn)，并且能夠在正常活動時佩帶，直到這一癥狀很明顯并被儀器記錄下來。通常情況下，佩帶時間會最多持續(xù)兩個月。很多事件監(jiān)視器會將已記錄心臟電活動直接報告給醫(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，未來會出現(xiàn)更多的全新使用和應(yīng)用。而這些應(yīng)用將會涉及病人生活的全部健康領(lǐng)域，從而提供預防為主、成本有效性更高的治療方法。與此同時，廉價的、便捷的監(jiān)視系統(tǒng)將通過零售商店向大眾提供，這使得每個人在保健和養(yǎng)生方面發(fā)揮積極作用。

 

 

最終，半導體技術(shù)的發(fā)展將使得這些生物感測和監(jiān)視系統(tǒng)擴展至全新的生物激勵領(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量軟組織內(nèi)的電活動來精確計算肌肉活動。使用EMG技術(shù)監(jiān)視肌肉運動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能力，例如在一定距離之外打開電燈和電視，而運動控制類計算機游戲和仿真訓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。與其他運動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人走路時與踩單車時小腿后部肌肉收縮程度的不同。

 

電子技術(shù)的另外一個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，將兩類不同波長的光透過病人的手指投射到一個光電二極管上來測量血氧水平。測量每個波長光上發(fā)生變化的氧氣吸收率，從而確定脈沖動脈血本身造成的吸收率。這種光學測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，不是去測量血氧水平，而是用發(fā)光二極管 （LED） 來照亮皮膚，然后測量透射或反射到一個光電二極管的光量來監(jiān)測每個心動周期所導致的動脈血量的變化。每個心動周期表現(xiàn)為一個峰值，此峰值與一次心跳相關(guān)聯(lián)。這種基于光學的心率感測技術(shù)類型的使用也會變得十分普遍。此類技術(shù)會形成整個全新的運動和健身心率監(jiān)視器以及配件市場。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)行測量，同時又不用佩戴使人感到不適的胸帶。

 

更多的未來應(yīng)用也會從此類先進的生物激勵電子技術(shù)中受益。由于有其他多個生理系統(tǒng)會對流向皮膚的血液流量進行調(diào)節(jié)，同樣類型的光學方法也可被用來監(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）的光學傳感器，通過心率或呼吸相關(guān)性測量，可以用簡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，以及生物激勵感測的其他用法一定會將健康、健身和安全意識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，然后測量反射到一個光電二極管的光量來監(jiān)測每個心動周期。

 

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轉(zhuǎn)很長時間，因為即使每天充電一次，用戶也會覺得比較麻煩。為了滿足這些要求，電子電路通常需要將高級感測和信號調(diào)節(jié)組合到全集成模擬前端 （AFE），以實現(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） 可以存儲算法并且執(zhí)行必要的計算。這些系統(tǒng)經(jīng)常需要無線通信，這樣的話，智能手機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動的能量采集。

 

基于這些要求，TI正在開發(fā)可實現(xiàn)下一代健康和健身應(yīng)用的全新技術(shù)，其中包括針對生物激勵和其他感測應(yīng)用設(shè)計人員的多種高集成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)品組合可選擇進行體溫和身體運動的能量采集。針對生物激勵感測應(yīng)用的另外一個重要特色領(lǐng)域是TI的先進封裝技術(shù)，它可提供晶圓級芯片封裝 （WCSP），以便在可穿戴設(shè)備中實現(xiàn)最薄、最小的芯片安裝。

 

 

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，他們在系統(tǒng)設(shè)計方面也許缺乏足夠的專業(yè)知識，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)計庫，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)計文件和測試報告，設(shè)計人員可以使用整個綜合性的參考設(shè)計庫，以便在系統(tǒng)設(shè)計方面占得先機，加快產(chǎn)品上市時間。

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)計由深入了解系統(tǒng)和產(chǎn)品知識的技術(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傳感器和信號調(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TIDesign （TIDA-00011），其中展示了一個典型的光學、佩帶在手腕上的心率系統(tǒng)應(yīng)用。這個手腕佩帶式心率監(jiān)視器參考設(shè)計說明了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LED到光電二極管光信號的轉(zhuǎn)換，TI的AFE4400(＄3.3188)感測由佩帶者脈搏跳動所引起的皮膚表面變化，然后將模擬信號放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再將此數(shù)字信號傳遞給MSP430(＄2.0250) MCU?；赥I SimpleLinkTM Bluetooth低能耗CC2541(＄2.3625)無線MCU的模塊提供到智能手機或其他本地系統(tǒng)的無線連接。非易失性鐵電隨機存儲器提供數(shù)據(jù)記錄功能，而加速計感測身體運動。此參考設(shè)計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產(chǎn)權(quán)即可。

 

 

全球人口老齡化日趨嚴重。發(fā)展中國家較高的生活水平。越來越精明的醫(yī)療消費者。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)注個人健康狀況。

 

先進的電子技術(shù)正在幫助我們用全新的生物激勵感測和監(jiān)視器件來應(yīng)對這些挑戰(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、可穿戴器件的長期技術(shù)遷移和演變，而同樣的IC技術(shù)也被擴展至其他安全和移動領(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)知識來應(yīng)對高性能和大批量應(yīng)用所帶來的挑戰(zhàn)。當全世界都在尋找新方法來滿足不斷增長的醫(yī)療服務(wù)需要的時候，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)。