個人保健與峰值體能訓(xùn)練因技術(shù)進(jìn)步而得以簡化

現(xiàn)在，諸如MCU與AFE等高性能組件已用在多種醫(yī)療設(shè)備及小型峰值體能訓(xùn)練裝置之中。

在過去幾十年里，醫(yī)療電子產(chǎn)品在個人疾病管理和診斷中發(fā)揮了重要的作用。從血糖血壓監(jiān)測到使用電子溫度計進(jìn)行發(fā)燒處理等，其應(yīng)用實例不勝枚舉。目前，多項旨在提高用戶生活質(zhì)量的創(chuàng)新正在實施之中。醫(yī)療電子應(yīng)用領(lǐng)域所取得的巨大進(jìn)步，已促使開發(fā)人員不再將眼光局限于個人保健這一方面

目前，將傳統(tǒng)和新型醫(yī)療電子產(chǎn)品與被稱為“生物反饋”的先進(jìn)軟件智能結(jié)合起來使用的諸多應(yīng)用正在逐步興起。此項技術(shù)可使用戶保持健康狀態(tài)或進(jìn)行峰值體能 (peak performance) 訓(xùn)練。生物反饋技術(shù)已經(jīng)在各種各樣的應(yīng)用中嶄露頭角。簡單到復(fù)雜的生物反饋系統(tǒng)與諸如超低功耗微控制器 (MCU)、高端嵌入式處理器及高性能模擬前端 (AFE) 等新式半導(dǎo)體器件可為生物反饋領(lǐng)域里的無限創(chuàng)新助一臂之力。

現(xiàn)實需要，呼之欲出

根據(jù)世界衛(wèi)生報告的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，10年之后，美國65歲以上的老年人將比現(xiàn)在多大約32%。到2025年，全世界超過50歲的人口將達(dá)到12億 － 為2006年時的兩倍。人口的老齡化將推高保健成本。2009年度美國國民衛(wèi)生支出報告顯示：美國目前的保健費用占到了國內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP) 的17%以上，歐洲則緊隨其后。預(yù)計保健成本在未來的10年中將會翻番。新興市場國家也表現(xiàn)出相似的發(fā)展趨勢。中國的保健支出從1995年占GDP的3.5%增長到2007年的5.6%。據(jù)《Economic Times》刊載的一篇文章所指，2008年，印度政府提議將公共保健支出從GDP的1%增加至3%。

毫無疑問，醫(yī)療電子產(chǎn)品市場在所有重要領(lǐng)域都在快速成長，包括消費醫(yī)療、診斷、成像、外科手術(shù)及監(jiān)測設(shè)備。2009年，消費醫(yī)療的出貨量在半導(dǎo)體產(chǎn)品的收入中所占的比例為33%（見圖1）。

       
圖1：2009年全球消費醫(yī)療出貨量，從中可以了解各類消費醫(yī)療出貨量在半導(dǎo)體產(chǎn)品收入中所占的百分比。

健身設(shè)備領(lǐng)域包括新涌現(xiàn)的小型個人峰值體能訓(xùn)練裝置，近期開始得到廣泛普及。峰值體能被定義為通過強化個體的運動機能和心理機能從而達(dá)到身體機能的最佳水平。通過諸多旨在增強認(rèn)知技能、情緒控制以及注意力和專注度等素質(zhì)的運動訓(xùn)練，人們可以達(dá)到上述狀態(tài)。

對于運動員來說，這種機能的增強可能意味著比賽勝負(fù)結(jié)果的不同。而就CEO、CTO及其他負(fù)責(zé)制定重大決策的高級管理人員而言，此類技術(shù)則有可能增強其對精神壓力的調(diào)控能力。

從本質(zhì)上說，峰值體能健身設(shè)備是這樣一種工具，它通過提供某種直接、可測量的反饋以及對日常鍛煉方法的優(yōu)化，幫助個體獲得“精神戰(zhàn)勝物質(zhì)”的技能、進(jìn)而而在常規(guī)體育運動中獲得最大益處。

個人生物反饋設(shè)備包括以下幾種分類：帶腦電圖 (EEG) 和腦血流圖 (HEG) 的神經(jīng)反饋、心率變異性分析 (HRV)、壓力與放松、肌動電流圖 (EMG) 肌肉活動反饋、體表溫度與核心溫度測量以及脈搏血氧測量等。這些都是對保健行業(yè)所熟知并且經(jīng)受住時間考驗的診斷技術(shù)的的最新使用。如今，越來越多的新興健身產(chǎn)品正朝著增強使用者身體機能的方向發(fā)展，不僅僅面向一般的健身用途。

神經(jīng)反饋系統(tǒng)

神經(jīng)反饋系統(tǒng)基于負(fù)責(zé)測量和記錄腦電活動的傳統(tǒng)EEG系統(tǒng)之上，借助新型半導(dǎo)體產(chǎn)品替代昂貴的傳統(tǒng)醫(yī)院用裝置，可以把這些系統(tǒng)設(shè)計成為能夠在家中使用的兼具緊湊性和經(jīng)濟(jì)性的電池供電式系統(tǒng)。

圖2：神經(jīng)反饋系統(tǒng)方框圖。

圖2為神經(jīng)反饋系統(tǒng)的方框圖。通過一個AFE與一個MSP430G2452 MCU組合起來，實現(xiàn)對信號調(diào)節(jié)和信號流動的數(shù)字轉(zhuǎn)換與管理。這是神經(jīng)反饋系統(tǒng)的主要前端模塊。神經(jīng)系統(tǒng)的后端則由用于向用戶提供反饋的元件組成。較為簡單的用戶反饋系統(tǒng)可通過可聽音、彩色LED等來實現(xiàn)與用戶的溝通。訓(xùn)練課程中，通過聽覺或視覺提示來鎮(zhèn)靜或激活大腦。這種裝置的高端版本包括一部運行復(fù)雜軟件的筆記本電腦或PC以及一些快速執(zhí)行傅里葉變換 (FFT) 的濾波器，用于分析腦電波并提供旨在幫助訓(xùn)練的用戶友好型反饋。

HRV測量系統(tǒng)

HRV測量系統(tǒng)與常見的健身設(shè)備心率測量系統(tǒng)相似。測量心率的常用技術(shù)有兩種：一種基于心電圖 (EKG)，另一種則基于光脈沖拾波器（如同在脈搏血氧計系統(tǒng)中那樣）。EKG是最常用的技術(shù)，因為它在任何情況下都能夠為配戴者提供可靠的性能，不管用戶處在何種狀態(tài)（例如：搖動或休息）都不受影響。這種系統(tǒng)需要將電極連接至用戶的胸部或手臂。EKG易于開發(fā)且能連續(xù)工作，主要是因為EKG信號的幅度通常為1 mV。借助新式低成本電子器件，對該過程的操控已變得的相當(dāng)簡單。在現(xiàn)用的EKG型心率測量設(shè)備中，胸帶運動手表是一個很好的例子。

簡單地說，心率變異性分析就是記錄心率并計算其隨時間的變化趨勢。就個體而言，在身體完全放松的狀態(tài)下HRV幾乎或完全沒有。專家指出：低心率且無HRV則表示人體處于最佳的放松狀態(tài)。   

圖3：心率變異性測量系統(tǒng)方框圖。

圖3為HRV系統(tǒng)方框圖。在這種配置方案中，一個AFE將EKG信號放大1000倍。由MCU實施數(shù)字轉(zhuǎn)換和進(jìn)一步的處理。HRV的計算方法是：首先計算心率，并利用MCU存儲器中的記錄心率信息推算出其隨時間的走勢。在其最簡單的獨立型實現(xiàn)方案中，HRV利用LED柱狀圖來顯示。在更加高級的裝置中，HRV可通過USB或無線連接發(fā)送至PC或智能手機設(shè)備。

這里給出了一個采用MSP430G2452的EKG型心率測量系統(tǒng)的參考設(shè)計。

該電路可輕松擴展以執(zhí)行HRV測量。計算HRV的另一種方法是采用常常和脈搏血氧計一起使用的技術(shù)來測量心率。圖4為基于脈搏血氧計技術(shù)的光脈沖拾波 器系統(tǒng)

圖4：單芯片脈搏血氧計設(shè)計方框圖

呼吸波形測量

有幾種方法可適用于呼吸波形測量?；镜囊环N是采用配有傳感器（如壓電式元件）的可穿戴式胸帶。在一個吸氣與呼氣周期中，隨著胸腔的擴張與收縮，壓電式元件將產(chǎn)生有效的信號電壓，此信號電壓可由簡單的MCU進(jìn)行處理來計算呼吸率。

第二種方法是采用一個靠近鼻孔的小熱敏電阻來測量呼出的氣體溫度。但這對使用者個體而言存在一些不便，因而并不常用。不過，這種方法易于開發(fā)，而且形成的系統(tǒng)可有助于計算個體所燃燒的卡路里。

第三種方法運用了阻抗充氣造影術(shù)的原理。此類裝置可采用一個MCU來實現(xiàn)。50 kHz AC激勵信號的低電流（約幾個μA）通過兩個間隔6～8英寸放置的胸部電極傳送。該方法可采用MCU的其中一個脈寬調(diào)制 (PWM) 通道來實現(xiàn)。胸部形成了用于該電流流動的部分阻抗通路，胸部的阻抗會隨著肺部所含空氣量的不同而變化。這完全是由于吸氣與呼氣所產(chǎn)生的變化，因此可以容易地計算出呼吸波形和呼吸率。

另一種方法是從胸部EKG推導(dǎo)出呼吸波形，除了一個用于測量HRV的傳統(tǒng)EKG電極裝置以外，此方法不需要任何額外的電極。如果有一個現(xiàn)成的HRV系統(tǒng)，那么這種方法幾乎無需花錢就能實現(xiàn)。如圖5所示，上方的跡線是經(jīng)過放大和低通濾波的EKG信號。您會注意到QRS峰值中的幅度變化。這種變動實際上是由因吸氣與呼氣造成的胸區(qū)傳導(dǎo)性 (thorax region conductivity) 變化所引起的。當(dāng)個體吸入空氣時，肺部會充滿空氣，進(jìn)而導(dǎo)致胸區(qū)的阻抗增加，從而產(chǎn)生較低幅度的EKG波形，反之亦然。如圖5中的下方跡線所示，采用簡單的調(diào)幅 (AM) 解調(diào)方案能夠顯示呼吸波形。

圖5：從胸部EKG波形推導(dǎo)出呼吸波形。

MCU和MEMS傳感器

實際上，針對每一種健身方式都存在峰值體能應(yīng)用，包括諸如舉重、俯臥撐和體操鍛煉等活動（見圖6）?？梢詫⒁恍㎝EMS加速計置于人體的關(guān)鍵部位上，如二頭肌、三頭肌、腹肌、腿筋等等，以獲得有關(guān)肌肉收縮與擴張（因鍛煉所致）的測量和反饋結(jié)果。反過來，反饋可幫助個體調(diào)整鍛煉策略，以最大限度地增加肌肉微差移動 (muscle differential movements)。人們甚至有可能發(fā)現(xiàn)：自己多年使用的常規(guī)鍛煉方式根本不是最優(yōu)的。MEMS傳感器是EMG系統(tǒng)的一種上佳的替代方案。

圖6：MEMS人體局域網(wǎng)

EMG系統(tǒng)可提供相同的反饋，盡管這需要采用更加昂貴而且讓使用者感覺不舒服的裝置。此外，還可以將多個MEMS傳感器設(shè)計成一個無線貼片 (wireless patch) ，并可使其與諸如人體局域網(wǎng) (BAN) 等系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

當(dāng)今的MEMS傳感器和RF無線技術(shù)正在個人保健與峰值體能應(yīng)用領(lǐng)域開辟新的可能性。目前，在諸如穩(wěn)定性監(jiān)測和鍛煉反饋等應(yīng)用中已設(shè)計有慣性傳感器（如加速計和陀螺儀）。而定向傳感器（比如電子羅盤和全球定位系統(tǒng) [GPS]）的應(yīng)用實例則包括用于監(jiān)護(hù)和跟蹤老年癡呆癥患者的范圍內(nèi)監(jiān)測 (in-range monitoring)、報警以及引導(dǎo)。

傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷技術(shù)已在生物反饋領(lǐng)域找到了新的用途。新式生物反饋設(shè)備兼具便攜性和低成本。此外，MEMS慣性傳感器（例如：加速計和陀螺儀）還實現(xiàn)了高級生物反饋技術(shù)。而且，無線技術(shù)（特別是在人體局域網(wǎng)應(yīng)用中）也在這一迅速崛起的生物反饋行業(yè)中催生了多種新產(chǎn)品。

作者：Murugavel Raju /德州儀器。Murugavel Raju是德州儀器公司（位于美國德克薩斯州達(dá)拉斯）MSP430 MCU業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)系統(tǒng)解決方案開發(fā)的全球業(yè)務(wù)經(jīng)理。