對于醫(yī)護人員來說，精確的診斷和治療與反映個人健康狀態(tài)的清晰畫面息息相關。但醫(yī)護人員還經(jīng)常需要借助一些醫(yī)療場所、診所或醫(yī)院的檢查，這些檢查最多只能提供不斷變化的個人健康動態(tài)情況的靜態(tài)快照。但對于個人而言，這便與其上班甚至通過家庭醫(yī)療設備進行治療的需求產生了分歧，常常會演變?yōu)闊o法執(zhí)行醫(yī)療計劃。

通過可穿戴式產品遠程查看健康資料的能力促進了醫(yī)療保健行業(yè)的巨大進步。全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會 (GSMA) 在美國進行的一項慢性心力衰竭患者研究顯示，對患者進行遠程監(jiān)視可減少并縮短住院時間。有一項獨立的研究表明，遠程監(jiān)視慢性心力衰竭患者可將再次入院幾率降低 72%。康體佳健康聯(lián)盟，一個與 GSMA 類似的由醫(yī)療保健機構與技術公司組成的非盈利行業(yè)組織，將遠程監(jiān)視或遠程醫(yī)療視為醫(yī)療保健解決方案的關鍵因素，以解決突飛猛漲的每年耗資逾五千億美元的慢性疾病難題。

可穿戴電子通過為患者及其醫(yī)護人員提供前所未有的清晰健康趨勢畫面，能直接解決這些問題。不同于在醫(yī)療場所或醫(yī)院所獲得的重要統(tǒng)計數(shù)字的偶然性快照，可穿戴式保健與健康產品提供了反應個人身體狀況的長期視圖。事實上，更先進的可穿戴式產品甚至還能即時反映健康狀態(tài)或允許醫(yī)生進行遠程診斷和有限的治療。

下一代可穿戴式設備

多年來，健身監(jiān)測器一直用于全天候跟蹤用戶心率，而更加復雜的可穿戴式設備正在尋求一種能提供持續(xù)更新重要診斷數(shù)據(jù)的方法。以iHealth Lab 的動態(tài)血壓監(jiān)護儀、無線動態(tài)心電儀和可穿戴式脈搏血氧儀為例，所有這些產品都結合了可穿戴式傳感器系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)通過藍牙以無線方式傳送至智能手機。動態(tài)血壓監(jiān)護儀設計在內衣上，以提供全天候監(jiān)視，而不會影響用戶的日常生活。ECG 設備的電極和監(jiān)護儀集成在一個輕型單位中，可直接貼在用戶胸口，并將數(shù)據(jù)推送到云端以供醫(yī)護人員訪問。同樣，脈搏血氧儀通過指套式傳感器連接至佩戴舒適的腕帶，能提供全天 24 小時的血氧飽和度（SpO2）測量。

健身追蹤器尺寸很小，能為用戶帶來持續(xù)、舒適、無感的佩戴體驗。Garmin Vivofit、LG Lifeband Touch 以及 Sony Core 等下一代健身可穿戴式產品功能強大，為更復雜的應用提供了更多數(shù)據(jù)，進而能更好的指導健康與健身。(圖1)

圖1養(yǎng)生與健身愛好者開始關注與此款Jawbone UP24等下一代健身追蹤器相關的更復雜應用

嵌入式傳感器

在此新一代可穿戴式產品迅速崛起的同時，傳感器、超低功耗處理器、無線通信、靈活的電子和封裝等技術也有了突飛猛進的發(fā)展。事實上，將傳感器陣列引入服飾中是過去幾年的一個重大突破，從而能夠開發(fā)出舒適而優(yōu)雅的可穿戴診斷設備。

例如，AiQ智能衣服將超細不銹鋼織進纖維中，使嵌入式傳感器形成了導電網(wǎng)狀物以監(jiān)視皮膚溫度和環(huán)境濕度以及進行心電圖、腦電圖、肌電圖等腦電波測量。此類傳感器陣列隱藏在病人長袍和毯子等臨床醫(yī)療服裝中，可以連續(xù)無損地為醫(yī)護人員提供持續(xù)的重要統(tǒng)計信息來源。

為降低當前篩查過程中的誤診情況，F(xiàn)irst Warning Systems 在其智能胸罩中采用了嵌入式傳感器技術，旨在以類似于任何其他胸罩的外形提供非放射、無損診斷數(shù)據(jù)。該公司的智能胸罩中嵌入了多個傳感器，收集的數(shù)據(jù)通過軟件進行預測分析，實時向內科醫(yī)生報告可能的異常。經(jīng)過多次臨床試驗證實，F(xiàn)irst Warning Systems 的技術能夠在發(fā)現(xiàn)乳腺癌前監(jiān)視到組織變化，提供了有助于提升當前篩查效果的預警能力。

可穿戴式醫(yī)療設備

在提供更加復雜的醫(yī)療監(jiān)測的同時，可穿戴式產品在醫(yī)療方面也得以推廣應用。例如，Thimble Bioelectronics正在研發(fā)一款小型 patch，基于經(jīng)皮電神經(jīng)刺激療法 (TENS) 和肌肉電刺激 (EMS) 為局部疼痛提供動態(tài)治療。TENS/EMS 設備將個人與家用設備或安裝在理療師診療室的設備連接起來。憑借其能獲得長期、立即治療的能力，移動 patch 將能夠進一步緩解慢性病疼痛。

Insulet的OmniPod提供了一個可穿戴式胰島素給藥系統(tǒng)，并串聯(lián)了個人血糖管理器 (PDM)。PDM 將內置血糖儀與胰島素注入的無線控制結合起來，并通過一個小型可穿戴式胰島素給藥 pod 管理。與傳統(tǒng)胰島素注入系統(tǒng)不同，此款防水型OmniPod即使在游泳和淋浴時也可持續(xù)佩戴，而不會違反醫(yī)療協(xié)議或影響積極的生活方式。

為醫(yī)療、健康及健身應用創(chuàng)建可穿戴式產品帶來了全新、獨特的設計挑戰(zhàn)。工程師必須在一個超小型生物相容性封裝中集成高級傳感器系統(tǒng)、低功耗嵌入式系統(tǒng)及無線通信。同時，諸如腕帶等可視穿戴式設備必須具有美觀、佩戴舒適、式樣新穎的配件，并能在充電次數(shù)較少時延長使用壽命。

超低功耗 MCU

對于設計人員，解決電源和性能間的需求沖突是面臨的最大挑戰(zhàn)之一。因此，可穿戴設計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 內核架構。這些高度集成的 MCU 內置了片上 RAM、閃存、定時器、ADC和多個接口選項，同時提供了多個低功耗模式，在掉電時電流消耗僅 20 nA。因 MCU 極低的功耗要求，Insulet深信OmniPod的兩節(jié) AA 電池能為運行能量相對短缺的胰島素泵保留相當充足的能量。

然而對于 Shine 可穿戴式無線身體活動監(jiān)測器，Misfit面臨著更加嚴峻的功耗約束。Misfit 發(fā)現(xiàn)需要用戶頻繁對 Shine 充電勢必會影響其作為可持續(xù)穿戴監(jiān)測器的作用。因此，Misfit 通過用戶可更換的 CR2032 鋰離子電池對 Shine 身體活動監(jiān)測器供電，預期能為功能豐富的無線應用提供至少四個月的電量。

因其有限的功率預算，Shine 在驅動基于 LED 的用戶界面及與智能手機上的 Shine 應用進行無線通信的同時，必須采用一系列復雜算法通過 3 軸加速度計對數(shù)據(jù)進行處理。因此，Misfit 選擇了Leopard Gecko MCU來設計 Shine，該 MCU 是 Silicon Laboratories ARM Cortex-M3 內核的超低功耗版本（圖 2）。Gecko 的低功耗傳感器接口（LESENSE）和外設反射系統(tǒng)（PRS）等特性，允許 LESENSE 即使在 MCU 內核休眠時仍能收集傳感器數(shù)據(jù)并通過 PRS 允許外設自治通信，從而降低了系統(tǒng)功耗。

圖 2: 由用戶可更換的CR2032鋰離子電池供電的Misfit Shine身體活動監(jiān)測器，采用Silicon Laboratories的超低功耗ARM Cortex-M3內核 MCU。

Intel Quark MCU專為可穿戴式設備及類似的深度嵌入式應用而打造，對于這些應用，低功耗與小尺寸遠比原始性能重要。最初的 Quark 設備 X1000 集成了 400 MHz 32 位內核、512 KB SRAM、DDR3 存儲器控制器和多個連接選項。但 Intel 逐漸意識到可穿戴式應用對安全性日益增長的要求，便在 X1000 中加入了片上引導 ROM，用于為認證提供硬件信任根。

通過Edison開發(fā)板，Intel 為可穿戴式設計人員提供了非常小（SD 卡大小）的平臺，其中集成了雙核 400 MHz Quark、LPDDR2 和 NAND 閃存存儲器以及 Wi-Fi 和藍牙低功耗（BLE）連接（圖 3 ）。

圖 3: SD 卡大小的 Intel Edison 開發(fā)板具有一個雙核 Quark、板載存儲器以及 Wi-Fi 和藍牙低功耗技術。

圖片引自: Intel

參考設計

隨著更高效電子元件和封裝形式的涌現(xiàn)，設計人員將迎來一項巨大的任務：將硬件和軟件組件打造成實用的可穿戴式系統(tǒng)設計。為使設計人員與工程師合作應對可穿戴式設備相關的設計難題，制造商提供了參考設計、設計套件和開發(fā)框架。例如，可穿戴式參考平臺（WaRP）便為一個綜合的開源、可擴展可穿戴式設計解決方案（圖 4）。WaRP結合了Freescale i.MX 6SoloLite ARM Cortex-A9應用處理器、Xtrinsic MMA955xL智能運動感應平臺、FXOS8700CQR1 6 軸數(shù)字傳感器以及Kynetics軟件和Rvolution Robotics 硬件。

圖4 Texas Instruments集成 sub-GHz無線收發(fā)器、基于MSP430 MCU的Chronos個人局域網(wǎng)（PAN）和傳感器節(jié)點參考設計

TI 獨家提供了Chronos個人局域網(wǎng)（PAN）和基于MSP430 MCU的傳感器節(jié)點參考設計以及集成的 sub-GHz 無線收發(fā)器。Chronos平臺采用運動手表外形，可與心率監(jiān)測器、壓力傳感器及其他測量單元進行無線配接。

Movea聯(lián)手 TI 和Xm-Squared 推出了 G 系列可穿戴式腕帶參考設計，用于監(jiān)視包括活動、姿勢、睡眠以及運動速度和節(jié)奏等各種健康體征。該參考設計結合了Movea的Motionsport嵌入式庫以及Xm-Squared 的腕帶設計和Texas Instruments 的低功耗 CC2541 SoC，該Soc提供了藍牙低功耗專用 2.4 GHz 無線通信。對于醫(yī)療應用，該參考設計的某項出色特性可支持進行睡眠分析，并提供接近醫(yī)院睡眠研究所用多導睡眠圖的結果。

結論

可穿戴式產品將解決醫(yī)療行業(yè)中重要統(tǒng)計數(shù)據(jù)的質量和及時性問題。通過快速訪問長期監(jiān)測結果，可穿戴式技術可為醫(yī)護人員更快速、更準確地診斷健康問題提供數(shù)據(jù)，并能避免突飛猛漲的慢性疾病和疼痛治療成本。隨著先進傳感器、超低功耗 MCU、靈活電子設備和封裝形式的不斷涌現(xiàn)，可穿戴式產品在曾是昂貴的醫(yī)院設備或家用設備的醫(yī)療、健身和健康壟斷領域中得以推廣應用。對于開發(fā)人員來說，不斷涌現(xiàn)的參考設計和設計套件為涉足可穿戴式產品提供了良好的開端。