醫(yī)療健康健康行業(yè)面臨三大挑戰(zhàn)：人口老齡化，慢性病例數(shù)量急劇增加，醫(yī)療健康費用爆炸式增長。預(yù)計未來20年，老年人口將呈指數(shù)增長。到2030年，1/3的歐洲人將超過65歲，其中40%需要協(xié)助。如果不能得到充分的照料，老年人將會有喪失獨立性的風(fēng)險。因此，老年人高度期望獨立自主的生活方式。但是，老年人獨立自主的生活方式常常伴隨著高風(fēng)險。目前已經(jīng)開發(fā)出許多利用各種傳感器實現(xiàn)的智能家居技術(shù)，以跟蹤和監(jiān)測家中老年人的活動，協(xié)助他們獨立生活。配備傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇和城市環(huán)境為老年人和病人提供了維持獨立性的機會。

環(huán)境輔助生活系統(tǒng)(AAL)在這方面可提供一系列好處，包括連接病人、醫(yī)生和醫(yī)療設(shè)備，從而大大提高治療和護理的效率。通過這種連接，無論病人在哪里，都可以自動記錄并評估病人的活動和健康數(shù)據(jù)。因此，僅當(dāng)病人的健康狀況實際惡化時，才需要呼叫醫(yī)務(wù)人員。這樣做的目的是降低醫(yī)療健康行業(yè)的成本并改善病人護理，即使病人不再在醫(yī)院里接受持續(xù)監(jiān)測，而是在家里進行日常監(jiān)測。

人類行為分析和活動識別是當(dāng)今AAL系統(tǒng)不可缺少的一部分。準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測，以及在需要時實時動作，是這些系統(tǒng)的必然要求。烹飪、睡覺和打掃衛(wèi)生等日常活動是反映老年人或病人身體能力的良好指標(biāo)。因此，若一個系統(tǒng)能夠自動識別這些活動，那么就可以自動進行健康監(jiān)測，為醫(yī)務(wù)人員提供客觀的測量。這種系統(tǒng)應(yīng)能檢測任何異常情況，如突然昏倒等，并立即采取動作。因此，活動監(jiān)測系統(tǒng)是未來健康應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文介紹一種綜合家用健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中包括一個基于視覺的活動監(jiān)測系統(tǒng)和一個生命體征監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用是監(jiān)視個人活動，同時能夠在該人執(zhí)行活動時監(jiān)視其生命體征。可穿戴醫(yī)療技術(shù)與嵌入式視覺技術(shù)的整合（綁定）是實現(xiàn)真正家用健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵。

基于視覺的檢測

到目前為止，活動監(jiān)測市場主要由視頻監(jiān)控技術(shù)主導(dǎo)。然而，隨著這種活動監(jiān)測轉(zhuǎn)向家庭環(huán)境，視頻分析的基本缺陷，例如侵犯被監(jiān)測者的隱私、需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)負載量很大等，導(dǎo)致其不適合此類應(yīng)用。嵌入式視覺檢測技術(shù)的出現(xiàn)有助于克服這兩個問題。嵌入式視覺檢測平臺在邊緣節(jié)點執(zhí)行實時處理，系統(tǒng)輸出僅對遙測/處理數(shù)據(jù)有用，故而消除了隱私問題，因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不是視頻或圖像（這會侵犯隱私），而只是活動數(shù)據(jù)，如烹飪、打掃衛(wèi)生或睡覺。由于只有遙測數(shù)據(jù)被傳輸，所以降低的數(shù)據(jù)速率可節(jié)省90%以上的帶寬需求，相比于視頻傳輸，成本大幅降低。

活動監(jiān)測嵌入式視覺系統(tǒng)包括探測人員、追蹤人員移動、識別其習(xí)慣的姿勢和活動。嵌入式檢測平臺的典型架構(gòu)通常包括以下部分：

光學(xué)系統(tǒng) （CMOS傳感器加鏡頭）：用于捕捉圖像。正確的光學(xué)配置需要根據(jù)視場、系統(tǒng)配置和房間幾何形狀來定義。有時CMOS傳感器可能會做一些圖像預(yù)處理，從而減少嵌入式處理器的處理負荷，進而降低系統(tǒng)功耗（如果占空比適當(dāng)）。

處理系統(tǒng): 處理器是此系統(tǒng)的核心，預(yù)期要處理大量控制、檢測和接口工作，而功耗和占用面積必須非常小。嵌入式系統(tǒng)平臺中的處理器，對光學(xué)系統(tǒng)捕獲的圖像運行圖像處理算法。處理完成后的系統(tǒng)輸出只是遙測數(shù)據(jù)。在家庭健康場景中，輸出可以是關(guān)于人的活動，例如他/她是否正在睡覺、打掃衛(wèi)生或已經(jīng)跌倒。

連接: 嵌入式視覺系統(tǒng)中的連接可以是有線或無線。但在家庭環(huán)境中，很有可能是無線連接。由于輸出只是遙測數(shù)據(jù)，而不是原始視頻數(shù)據(jù)，所以要傳輸?shù)挠行лd荷大大減少。數(shù)據(jù)隨后傳輸?shù)皆破脚_，經(jīng)過進一步處理后，以應(yīng)用程序的形式實時提供給護士或監(jiān)護人。

云/數(shù)據(jù)分析: 這構(gòu)成系統(tǒng)的后端。云基礎(chǔ)設(shè)施不僅提供應(yīng)用程序形式的實時數(shù)據(jù)訪問，還可以運行后臺數(shù)據(jù)分析算法來識別家中活動的趨勢。

圖1. 家用綜合健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)監(jiān)測人員活動和生命體征參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計考慮和主要挑戰(zhàn)

可靠性: 活動監(jiān)測系統(tǒng)以可靠、安全、準(zhǔn)確的方式提供活動信息是至關(guān)重要的。此外，在發(fā)生緊急情況時，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確檢測緊急環(huán)境并發(fā)出警報，同時要減少誤報的產(chǎn)生，防止意外聯(lián)系相關(guān)人員或緊急調(diào)遣系統(tǒng)。

延遲: 能否對活動監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的警報作出即時響應(yīng)/動作/報警，是決定安全系統(tǒng)真實潛力的一個指標(biāo)。監(jiān)測活動（無論是睡覺、行走、打掃衛(wèi)生還是緊急情況）的基本功能應(yīng)該即時報告，以使事件發(fā)生和報告之間的時間延遲較短。

防篡改: 最后，活動監(jiān)測系統(tǒng)需要有盡可能好的防篡改能力。篡改可能發(fā)生在系統(tǒng)的任何部分，無論是終端節(jié)點、無線/有線連接還是數(shù)據(jù)控制和分析周期結(jié)束時。樓宇自動化系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)攻擊是安全系統(tǒng)和家用監(jiān)測系統(tǒng)非常關(guān)心的話題。

ADI公司嵌入式視覺檢測平臺

ADI公司的BLIP（Blackfin?低功耗成像平臺）是一種低成本、低功耗、高性能的嵌入式視覺檢測平臺，可以運行大量實時檢測和圖像處理算法。BLIP由ADI公司的Blackfin系列處理器ADSPBFxxx組成，非常適合嵌入式視覺檢測算法。有關(guān)BLIP和ADI產(chǎn)品的更多信息，請訪問 analog.com/blip。

精確、緊湊、低功耗生命體征測量

2016年1月初在美國拉斯維加斯舉行的CES展會上，ADI公司首次展示了這一解決方案。演示的生命體征測量(VSM)包括心率和活動，通過戴在手腕上的手表顯示。

這款手表內(nèi)部有一個模塊化結(jié)構(gòu)，它包括一個嵌入ADI新型Cortex?-M3微控制器（目前市場上功耗最低的M3控制器，名為ADuCM302x）的主板和一個2.4 GHz無線電收發(fā)器，支持通過Google Thread協(xié)議發(fā)送VSM數(shù)據(jù)。子板上有一個光度測量前端 ADPD103，其周圍有三個綠光LED和一個光電二極管，以及市場上功耗最低的三軸加速度計 ADXL362。這兩個器件彼此同步，以更有效地補償人的移動。

ADPD107是一款光度測量前端，工作原理是反射式光學(xué)測量，通過LED驅(qū)動器發(fā)送8 mA至250 mA的電流，以照亮器件的外部LED。這些LED照亮皮膚，并通過光電二極管使用反射測量，因此信號由前端采集，然后經(jīng)過放大、濾波、積分和14位ADC轉(zhuǎn)換，再通過I2C接口傳輸?shù)街鳈C。

讓LED和光電二極管外置有多個優(yōu)點：允許選擇LED數(shù)量、LED顏色及其電流強度，尤其是LED與光電二極管的間隔可以達到較優(yōu)狀態(tài)，使調(diào)制指數(shù)較大（其設(shè)置交流/直流比，從而決定反射信號的質(zhì)量）。您還可以選擇光電二極管的尺寸（后者越寬，調(diào)制指數(shù)會越高），并且可以添加一個超低噪聲和低功耗的電流放大器。

圖3. 綜合健康監(jiān)測系統(tǒng)框圖

根據(jù)執(zhí)行的測量類型（HRM——心率、脈搏血氧飽和度）和皮膚上的測量位置來選擇LED顏色。為在手腕上測量心率，我們選擇綠光LED，因為對于500 nm到600 nm波長，其血紅蛋白吸收率是較高的。當(dāng)心臟跳動時，血液在手腕中流動，對綠光的吸收效果很優(yōu)異。在兩次心跳之間，吸收會減少。讓綠光LED每秒閃爍數(shù)百次，ADPD107便可計算出每分鐘的心跳次數(shù)，這就是您的心率。建議讓綠光LED與光電二極管隔開3 mm或更多（若方便的話），以提高調(diào)制指數(shù)，如圖3所示。

圖4. 調(diào)制指數(shù)與LED和光電二極管之間隔的函數(shù)關(guān)系

若要測量脈搏血氧飽和度，則應(yīng)選擇一個紅光LED和一個紅外LED，我們將用手指來練習(xí)（使用這種方法時，我們也可從HRM獲益），因為它有很強的毛細血管濃度。脈搏血氧測定是醫(yī)生用來評估和快速控制患者呼吸功能的非侵入性方法。通過光電二極管的紅光和紅外光的比率表示血液中氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的百分比。血液中的氧飽和度也被稱為SpO2。

因此，血氧測定的基礎(chǔ)是測量血液毛細血管中血紅蛋白的光吸收率，具體來說是測定每個紅細胞的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的比率：

98% SpO2意味著每個紅細胞含有98%的氧合血紅蛋白和2%的脫氧血紅蛋白

ADI公司還為不需要對光學(xué)測量進行大量優(yōu)化的表面受限應(yīng)用提供模塊解決方案（模擬前端、光電二極管和LED在同一封裝中）。因此，包含紅光LED和紅外LED的 ADPD142支持在手指上進行SpO2測量。其后續(xù)產(chǎn)品 ADPD144提供一種改進的機械設(shè)計，可減少內(nèi)部光污染（即LED與光電二極管之間的直射光）。其24,425次樣品測量的平均測量誤差為2.6%，因此符合FDA要求。ADPD144的封裝尺寸為5 mm×2.8 mm，高度為1.35 mm。

如上所述，為使調(diào)制指數(shù)較大，從而使測量信號質(zhì)量較好，LED和光電二極管之間必須有最小間隔，這在空間受限的模塊中可能不是較佳的。因此，對于運動手表之類因運動、排汗和皮膚/手表接觸位移而受到額外限制的應(yīng)用，ADI公司建議只使用由光度測量前端在外部提供LED和光電二極管的解決方案。

在軟件方面，ADI公司提供光度傳感器和加速度計的驅(qū)動程序，并在CES上推出了自己的運動補償算法，該算法運行在Cortex-M3內(nèi)核 ADuCM3027上，只需1.5 MIPS、13 kB ROM和7.8 kBRAM。這是一個重大突破，因為在此之前，此類算法需要浮點運算，因此需使用更耗電且更昂貴的Cortex-M4型處理器。

還應(yīng)注意，皮膚顏色或紋身會影響測到的反射信號質(zhì)量。建議不要將該解決方案放在紋身上。對于深色皮膚的人來說，調(diào)制指數(shù)略有降低，因此需要優(yōu)化解決方案的光學(xué)設(shè)計。

超低功耗平臺

現(xiàn)在，我們來嘗試確定之前討論的手表的功耗，假設(shè)我們在Cortex-M3 ADuCM3027上執(zhí)行運動補償算法，并通過一些特征來確定LED功耗。

ADPD107在一個或兩個時隙上發(fā)送一個LED脈沖序列。因此，不同LED可以對應(yīng)不同的脈沖數(shù)量。ADPD107的功耗為AFE和LED功耗之和。

以下述條件為例：

FS = 100 Hz; 2個時隙；脈沖周期A = 20 μs；脈沖周期B = 40 μs

脈沖數(shù)目A = 4；脈沖數(shù)目B = 8

LED最大電流A = 25 mA；LED最大電流B = 100 mA3 μs

脈沖持續(xù)時間A = 3 μs；脈沖持續(xù)時間B = 3 μs

故LED_A的有效電流=(3 × 4/10000) × 25 mA = 30 μA

故LED_B的有效電流=(3 × 8/10000) × 100 mA = 240 μA

AFE的A通道電流 =FS((20 + 脈沖數(shù) × 脈沖周期) × Vddpeak + 0.13) =100((20 + 4 × 20) × 0.0093 + 0.13) = 106 μA

AFE的B通道電流 =FS((20 + 脈沖數(shù) × 脈沖周期) × Vddpeak + 0.20) =100((20 + 8 × 20) × 0.0093 + 0.20) = 187 μA

ADPD107的總功耗（包括兩個LED的功耗）為563 μA

如上所述，ADI公司開發(fā)的運動補償算法只需要1.5 MIPS便可工作，近似計算運行頻率為1.5 MHz。ADuCM3027的功耗為38 μA/MHz，故微控制器功耗為57 μA。ADXL362在100 Hz采樣頻率時消耗2 μA，故AFE和LED、Cortex-M3以及加速計系統(tǒng)在這個例子中消耗622 μA。如此低功耗可較大限度地延長使用時間，而無需為該手表內(nèi)置的LiPo電池充電。待機模式下，ADPD107功耗為3.5 μA。其后續(xù)產(chǎn)品的功耗將減少到1 μA。

應(yīng)當(dāng)注意的是，這個例子的功耗計算并非針對某種精確應(yīng)用。目標(biāo)應(yīng)用、通過LED的電流和采樣頻率與系統(tǒng)功耗直接相關(guān)，實際結(jié)果可能比上述值更好或更差。

盡管如此，ADI公司的低功耗解決方案有助于減少醫(yī)療健康設(shè)備的充電時間和功耗，讓老年人能夠過上更加獨立自主的生活。

審核編輯：郭婷