集成家庭健康監(jiān)測(cè)

醫(yī)療保健部門面臨三大挑戰(zhàn)：人口老齡化，慢性病病例急劇增加，醫(yī)療保健成本爆炸式增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)未來(lái)20年，老年人口將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。到2030年，1/3的歐洲人將超過(guò)65歲，其中40%將需要援助。如果得不到足夠的照顧，老年人就有失去獨(dú)立性的風(fēng)險(xiǎn)。因此，老年人非?？释?dú)立的生活方式。但老年人的獨(dú)立生活方式往往伴隨著高風(fēng)險(xiǎn)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多使用各種傳感器實(shí)施的智能家居技術(shù)，以跟蹤和監(jiān)控老年人在家中的活動(dòng)并幫助他們獨(dú)立生活。配備傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑物和城市環(huán)境為老年人和病人提供了更長(zhǎng)時(shí)間保持獨(dú)立性的機(jī)會(huì)。

環(huán)境輔助生活（AAL）在這方面提供了一系列好處。這些好處包括將患者、醫(yī)生和醫(yī)療設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，這大大提高了治療和護(hù)理的效率。該鏈接可以自動(dòng)記錄和評(píng)估患者的活動(dòng)和健康數(shù)據(jù)，無(wú)論他們身在何處。因此，只有在患者的健康狀況實(shí)際惡化時(shí)，才需要召集醫(yī)務(wù)人員。這里的目標(biāo)是降低醫(yī)療保健部門的成本并改善患者護(hù)理 - 即使患者不再在醫(yī)院接受持續(xù)監(jiān)測(cè)，而是在家中進(jìn)行日常生活中的監(jiān)測(cè)。

人類行為分析和活動(dòng)識(shí)別是當(dāng)今AAL系統(tǒng)不可或缺的一部分?？煽亢蜏?zhǔn)確的監(jiān)控，以及在需要時(shí)的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，是這些系統(tǒng)的要求。烹飪、睡覺(jué)和清潔等日?；顒?dòng)是老年人或病人身體能力的良好指標(biāo)。因此，自動(dòng)識(shí)別這些活動(dòng)的系統(tǒng)允許自動(dòng)健康監(jiān)測(cè)，并為醫(yī)務(wù)人員提供客觀的衡量標(biāo)準(zhǔn)。這樣的系統(tǒng)應(yīng)該能夠檢測(cè)到任何異常情況，例如突然跌落，并提供立即驅(qū)動(dòng)。因此，活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來(lái)健康應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。

在本文中，我們介紹了一個(gè)集成的家庭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基于視覺(jué)的活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目的是能夠監(jiān)測(cè)個(gè)人的活動(dòng)，同時(shí)能夠在執(zhí)行該活動(dòng)時(shí)監(jiān)測(cè)他/她的生命體征?？纱┐麽t(yī)療技術(shù)和嵌入式視覺(jué)技術(shù)的集成（綁定）在一起是實(shí)現(xiàn)真正的家庭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

基于視覺(jué)的傳感

到目前為止，活動(dòng)監(jiān)控市場(chǎng)主要由視頻監(jiān)控技術(shù)主導(dǎo)。然而，隨著這種活動(dòng)監(jiān)控在家庭環(huán)境中的轉(zhuǎn)變，視頻分析由于其基本缺點(diǎn)而未能成為正確的解決方案，例如侵犯被監(jiān)控者的隱私以及需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)負(fù)載量，因?yàn)樗且曨l。嵌入式視覺(jué)傳感技術(shù)的出現(xiàn)有助于克服這兩個(gè)問(wèn)題。嵌入式視覺(jué)傳感平臺(tái)在邊緣節(jié)點(diǎn)執(zhí)行實(shí)時(shí)處理，系統(tǒng)的輸出僅對(duì)遙測(cè)/處理數(shù)據(jù)有用，從而克服了隱私問(wèn)題，因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)不是視頻或圖像（侵犯隱私），而只是烹飪、清潔或睡眠等活動(dòng)數(shù)據(jù)。由于僅傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)，因此降低的數(shù)據(jù)速率可節(jié)省 90% 以上的帶寬要求，從而節(jié)省傳輸視頻所需的成本。

活動(dòng)監(jiān)控嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)包括檢測(cè)人員，跟蹤人員的移動(dòng)，以及識(shí)別其姿勢(shì)和感興趣的活動(dòng)。嵌入式傳感平臺(tái)的典型架構(gòu)通常包括以下內(nèi)容：

光學(xué)系統(tǒng)（CMOS傳感器加鏡頭）：用于捕獲圖像。正確的光學(xué)配置需要根據(jù)視場(chǎng)、系統(tǒng)配置和房間幾何形狀來(lái)定義。有時(shí)，CMOS傳感器可能會(huì)進(jìn)行一些圖像預(yù)處理，從而減少嵌入式處理器的處理負(fù)載，如果占空比正確，這反過(guò)來(lái)又可以降低系統(tǒng)的功耗。

處理系統(tǒng)：處理器是該系統(tǒng)的核心，現(xiàn)在預(yù)計(jì)它將進(jìn)行更多的控制、傳感和接口，同時(shí)消耗很少的功率和面積。嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)中的處理器，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)捕獲的圖像運(yùn)行圖像處理算法。完成處理后，系統(tǒng)的輸出只是遙測(cè)數(shù)據(jù)。在家庭健康方案中，輸出可能是關(guān)于人員的活動(dòng)，例如他/她是否在睡覺(jué)、清潔或跌倒。

連接性：在嵌入式、基于視覺(jué)的系統(tǒng)中，這可以是有線或無(wú)線的。但是，它可能是家庭環(huán)境中的無(wú)線連接。由于輸出只是遙測(cè)數(shù)據(jù)，而不是原始視頻數(shù)據(jù)，因此要傳輸?shù)挠行ж?fù)載大大減少。然后將其傳輸?shù)皆破脚_(tái)，并以應(yīng)用程序的形式為您的護(hù)士或監(jiān)護(hù)人實(shí)時(shí)提供。

云/數(shù)據(jù)分析：這構(gòu)成了系統(tǒng)的后端。云基礎(chǔ)架構(gòu)不僅以應(yīng)用程序的形式提供對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)，還可以運(yùn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)分析算法，以識(shí)別家庭活動(dòng)上下文中的趨勢(shì)。

圖1.家庭使用的集成健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)控人員的活動(dòng)和重要參數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素和主要挑戰(zhàn)

可靠性：活動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以最可靠、安全和準(zhǔn)確的方式提供活動(dòng)信息非常重要。此外，在緊急情況下，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確檢測(cè)緊急環(huán)境并發(fā)出警報(bào)，重點(diǎn)是減少誤報(bào)的產(chǎn)生，以防止意外聯(lián)系人員或緊急調(diào)度。

延遲：對(duì)活動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)生成的警報(bào)進(jìn)行即時(shí)響應(yīng)/啟動(dòng)/報(bào)警是一項(xiàng)功能，用于定義安全系統(tǒng)的確切潛力。監(jiān)控活動(dòng)的基本功能（無(wú)論是睡覺(jué)、走路、清潔還是緊急情況）都應(yīng)以即時(shí)方式報(bào)告，以便在發(fā)生和報(bào)告之間實(shí)現(xiàn)最小的時(shí)間延遲。

防篡改： 最后，活動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)需要盡可能防篡改。篡改可能發(fā)生在系統(tǒng)的任何階段，無(wú)論是終端節(jié)點(diǎn)、無(wú)線/有線連接，還是在周期的數(shù)據(jù)控制和分析結(jié)束時(shí)。破壞樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)是安全系統(tǒng)和家庭監(jiān)控系統(tǒng)中非常關(guān)注的話題。

ADI嵌入式視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)

ADI公司的BLIP（Blackfin低功耗成像平臺(tái)）是一款低成本、低功耗、高性能嵌入式視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)，可運(yùn)行大量實(shí)時(shí)檢測(cè)和圖像處理算法。BLIP由ADI公司的Blackfin系列處理器ADSP-BFxxx組成，非常適合嵌入式視覺(jué)檢測(cè)算法。有關(guān)BLIP和ADI產(chǎn)品的更多信息，請(qǐng)登錄 analog.com/blip。?

準(zhǔn)確、緊湊、低功耗的生命體征測(cè)量

在2016年1月初于拉斯維加斯舉行的CES展會(huì)上，ADI公司首次展示了該解決方案。所呈現(xiàn)的生命體征（VSM）測(cè)量包括心率和活動(dòng)，并通過(guò)戴在手腕上的手表顯示。

在這款手表中，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)模塊化架構(gòu)，包括一個(gè)嵌入ADI公司新型Cortex-M3微控制器的主板，這是市場(chǎng)上消耗最少的M3控制器，名為ADuCM302x，以及一個(gè)2.4 GHz無(wú)線電收發(fā)器，允許使用Google Thread協(xié)議發(fā)送VSM數(shù)據(jù)。子板上是一個(gè)光度學(xué)前端ADPD103，周圍環(huán)繞著三個(gè)綠色LED和一個(gè)光電二極管，以及市場(chǎng)上功耗最低的3軸加速度計(jì)ADXL362。這兩個(gè)設(shè)備彼此同步，以更有效地補(bǔ)償人的運(yùn)動(dòng)。?

ADPD103是一款光度前端，通過(guò)反射式光學(xué)測(cè)量工作，通過(guò)其LED驅(qū)動(dòng)器發(fā)送8 mA至250 mA電流，照亮組件的外部LED。這些LED照亮皮膚，并通過(guò)光電二極管使用反射測(cè)量，因此信號(hào)由前端采集，然后由14位ADC放大、濾波、積分和轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)IC接口傳輸?shù)街鳈C(jī)。2

將LED和光電二極管放在外部有多種優(yōu)點(diǎn)：它允許選擇LED的數(shù)量，LED的顏色，它們的電流強(qiáng)度，特別是LED與光電二極管的最佳間距，以最大化調(diào)制指數(shù)（它設(shè)置交流-直流比，從而設(shè)置反射信號(hào)的質(zhì)量）。它還允許您選擇光電二極管的尺寸（當(dāng)后者更寬時(shí)，調(diào)制指數(shù)會(huì)更高），并可能為其添加超低噪聲和低功耗電流放大器。

圖3.集成健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖。

根據(jù)執(zhí)行的測(cè)量類型（HRM-心率，脈沖血氧飽和度）和測(cè)量在皮膚上的位置，選擇LED的顏色。為了測(cè)量手腕上的心率，我們選擇綠色LED，因?yàn)樗鼈兊难t蛋白吸收在500 nm至600 nm波長(zhǎng)下最高。當(dāng)您的心臟跳動(dòng)時(shí)，手腕中的血液流動(dòng)并且綠光的吸收效果更好。在節(jié)拍之間，它減少。通過(guò)每秒閃爍數(shù)百次綠色 LED，ADPD103 可以計(jì)算心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，即您的心率。建議將綠色LED與光電二極管間隔3 mm，或更方便，以提高調(diào)制指數(shù)，如圖3所示。

圖4.調(diào)制指數(shù)是LED和光電二極管之間間距的函數(shù)。

如果我們想測(cè)量脈沖血氧飽和度，那么我們選擇紅色 LED 和紅外 LED，我們將用手指練習(xí)（我們也受益于這種方法的 HRM），因?yàn)樗哂泻軓?qiáng)的毛細(xì)管濃度。脈搏血氧儀是醫(yī)生用來(lái)評(píng)估和快速控制患者呼吸功能的一種非侵入性方法。通過(guò)光電二極管的紅光和紅外光的比例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稱為SpO2。

因此，血氧測(cè)定基于毛細(xì)血管中血紅蛋白光吸收的測(cè)量，特別是每個(gè)紅細(xì)胞的氧合血紅蛋白（氧合血紅蛋白）和脫氧血紅蛋白（脫氧血紅蛋白）的速率：

98% SpO2 意味著每個(gè)紅細(xì)胞都含有 98% 的氧合血紅蛋白和 2% 的脫氧血紅蛋白

ADI公司還為表面受限應(yīng)用提供模塊解決方案（同一封裝中的模擬前端、光電二極管和LED），這些應(yīng)用不需要對(duì)光學(xué)測(cè)量進(jìn)行大量?jī)?yōu)化。因此，ADPD142 包括一個(gè)紅色 LED 和一個(gè)紅外 LED，允許在手指上進(jìn)行 SpO2 測(cè)量。其后繼產(chǎn)品ADPD144采用改進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)，可減少內(nèi)部光污染（LED和光電二極管之間的直射光）。它在 24，425 個(gè)樣品測(cè)量中提供 2.6% 的平均測(cè)量誤差，使其符合 FDA 標(biāo)準(zhǔn)。ADPD144的封裝尺寸為5 mm×2.8 mm，高度為1.35 mm。

如上所述，為了最大化調(diào)制指數(shù)，從而最大限度地提高測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量，LED和光電二極管之間的間距必須最小，這在空間受限的模塊中可能不是最佳的。因此，對(duì)于運(yùn)動(dòng)手表等因運(yùn)動(dòng)、汗水和皮膚與手表接觸點(diǎn)的位移而受到額外限制的應(yīng)用，ADI公司建議僅使用光度前端的外部LED和光電二極管的解決方案。

在軟件方面，ADI公司提供亮度傳感器和加速度計(jì)的驅(qū)動(dòng)器，并在CES上推出了自己的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，該算法在Cortex-M3內(nèi)核ADuCM3027上運(yùn)行，13 kB ROM和RAM僅為1.5 MIPS。這是一個(gè)重大突破，因?yàn)樵诖酥?，這種類型的算法需要浮點(diǎn)計(jì)算，因此需要Cortex-M4處理器類型，它更耗電，更昂貴。另請(qǐng)注意，皮膚或紋身的顏色會(huì)影響測(cè)量反射信號(hào)的質(zhì)量。建議不要將溶液放在紋身上;對(duì)于深色皮膚的人來(lái)說(shuō)，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(jì)。

超低功耗平臺(tái)

現(xiàn)在，讓我們嘗試確定前面討論的手表的功耗，假設(shè)我們?cè)贑ortex-M3 ADuCM3027上執(zhí)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法和一些特性來(lái)確定LED的功耗。

ADPD103在一個(gè)或兩個(gè)時(shí)隙上發(fā)送LED脈沖序列。例如，這允許從一個(gè)LED到另一個(gè)LED的不同數(shù)量的脈沖。ADPD103的功耗是AFE和LED功耗的總和。

讓我們以這些條件為例：

FS= 100 赫茲;2個(gè)插槽;脈沖周期A = 20 μs;脈沖周期 B = 40 μs

脈沖數(shù) A = 4;脈沖數(shù) B = 8

LED A 中的最大電流 = 25 mA;

LED B 中的最大電流 = 100 mA

脈沖持續(xù)時(shí)間A = 3 μs;脈沖持續(xù)時(shí)間 B = 3 μs

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

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

AFE 的 A 通道中的電流 =FS（（20 + 脈沖計(jì)數(shù)×脈沖周期） × Vdd峰+ 0.13） = 100（（20 + 4 × 20） × 0.0093 + 0.13） =106 μA

AFE B 通道中的電流 =FS（（20 + 脈沖計(jì)數(shù)×脈沖周期） × Vdd峰+ 0.20） = 100（（20 + 8 × 20） × 0.0093 + 0.20） =187 μA

ADPD103的總電流（包括兩個(gè)LED的功耗）為563 μA

如上所述，ADI公司開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法僅需1.5 MIPS即可工作，我們將其近似為1.5 MHz的運(yùn)行頻率。ADuCM3027的功耗為38 μA/MHz，這意味著微控制器的功耗為57 μA。ADXL362在100 Hz采樣頻率下使用2 μA電流，因此，在本例中，AFE和LED、Cortex-M3和加速度計(jì)系統(tǒng)的功耗為622 μA。這種低功耗可最大限度地延長(zhǎng)使用時(shí)間，而無(wú)需為這款手表中的內(nèi)置鋰聚合物電池充電。在待機(jī)模式下，ADPD103的功耗為3.5 μA。其后繼器件會(huì)將該值降低到1 μA。

應(yīng)該注意的是，此示例顯示的功率計(jì)算與精確應(yīng)用不對(duì)應(yīng)。您可以獲得更好或更差的結(jié)果，具體取決于目標(biāo)應(yīng)用、通過(guò) LED 的電流以及與系統(tǒng)功耗直接相關(guān)的采樣頻率。也就是說(shuō)，ADI的低功耗解決方案有助于縮短醫(yī)療設(shè)備的充電周期和功耗，使老年人能夠過(guò)上更獨(dú)立的生活方式。

審核編輯：郭婷