家既是心所在

当“家庭健康监护”这个词被首次提出时,它的含义并不局限在我们所居住的四面墙之内,而是指医院环境外个人生命体征的监护。由于“家”是我们理论上花时间最多的地方,因而引入了“家庭保健”这种说法。但是,监护的对象是个人——而非环境(虽然环境对于生命体征的测量和通信起着很大的作用)。如果把“家庭健康监护”重新定义为“个人健康监护”,那么墙壁就消失了,而我们在何处、如何测量生命体征也就没有了界限。本文讨论重新定义的“家庭健康”监护,而心在哪,“家”就在哪。

医疗保健正在改变,而我们期望获得的监护和技术水平也在随之改变。在发达国家,医疗保健行业的投入使得诊断和医疗监护有了显著的进步。一般而言,我们认为医疗保健行业将继续在发达国家完善发展,并拓展到世界上其他医疗不发达的地区。但随着医疗保健支出的螺旋上升,我们意识到这种假设可能需要改变一下了。全球不同地区之间的医疗保健发展程度也有所不同,而医疗保健这一概念虽然原则上非常高尚,但离实现依然有很长的一段路要走。

创新科技降低医疗保健成本

降低医疗保健开支的一个解决方案是利用最新的技术和创新,让病人更快但安全地离开医院。在成本较低的环境中继续治疗(比如家里),医疗保健系统的支出也随之下降。 病人还能享受到舒适环境的额外好处。为了保持病人的安全同时降低往返医院的次数,针对病人的环境而设计的高性能生命体征监护(VSM)设备至关重要。

医院外监护(不包括诊所和医生办公室)通常与传统家庭环境有关。以前,家庭健康和保健监护只不过是一个简单的温度计、一组浴室秤,以及某些家庭中使用的血压监护仪。对于疾病管理而言,由于糖尿病案例增多,血糖仪是目前最常用的设备。在某种程度上,用于运动和保健的心率监护仪(HRM)——通常绑在胸带上或安装在健身房跑步机的手持式电极上——也属于医院外或远程监护市场的产品。

图1. 传统家庭监护仪

很多报告、论文和科研都提到了远程健康监护的优势,但如果看一下在VSM与最终系统集成方面花费了时间和精力的大量公司和机构,就会发现,远程健康环境比传统家庭或健身房要大得多。医院外VSM市场正快速成长,并有可能颠覆很多其它细分市场。

各种推动因素的共同作用使VSM在不同细分市场上得到实施,包括:

消极推动因素:

  • 全球范围内需维持或降低螺旋上升的成本(在美国,医疗保健开支约占GDP的18%)
  • 老龄人口(到2030年,65岁以上人口数量将首次超过5岁人口1)对医疗保健系统造成了前所未有的负担。
  • 不健康的生活方式(肥胖是是包括糖尿病、高血压和肺部疾病在内的各种慢性病患者数量增加的主要原因)

积极推动因素:

  • 通信基础设施提供医疗保健资源的全球访问
  • 技术的进步使得远程健康监护成为可能,并契合我们的生活方式
  • 支撑性基础设施的增长为保持健康生活方式提供实时动机
  • 健康监护的实现缩短了留院时间

图2. “家庭”生命体征监护(VSM)市场的扩展定义

探索如何进入该领域的细分市场有:

  • 医院(将监护带入家庭)
  • 陪护机构
  • 体育机构,包括运动领域
  • 学校/教育机构
  • 保险/公司赞助的保健计划
  • 军事
  • 汽车行业
  • 消费电子行业(智能手机、智能手表、游戏设备)
  • 动物健康* (牲畜管理、宠物护理)

这些细分市场的生命体征监护有一些共同点;但是,环境的限制以及信息如何进行解读和使用对任何监护设备都有着极大的影响。 ADI公司是技术引领者,以创新解决这些限制。

*虽然动物健康监护严格来讲并不属于人类医疗保健的问题,但它是一个快速成长中的市场,部分采用了与人类健康监护设备相同的技术。

图3. 如何测量生命体征

下文介绍了实现所需生命体征测量和监护的部分市场子类和目标、限制以及推荐的技术。

家庭环境

我们将简要讨论家庭传统监护设备(电子秤、温度计、血压仪、血糖仪),这些设备一般周期性地按需使用。对于连续监护而言,还必须考虑到具体的监护设计及个人需要。

设备必须是非介入式的,并与我们的生活方式无缝契合—这是一个所有细分市场共有的要求。设备必须小巧,并且由于大部分设备都可能需要穿戴在身体上,它们需采用电池供电(一次性电池或可充电电池)。用户不希望经常被电池或充电器所困扰,因此设备必须支持低功耗,以实现无中断的长期使用。

在远程健康管理中,连接能力极为重要。信息通信的方式由实际监控的生命体征以及信息的目标接收方决定。例如,跌倒检测监护仪要求低延迟、实时通信,而心率监护仪(HRM)只需周期性地上载信息即可。通信趋势是向着无线方面发展。蓝牙智能、Wi-Fi、GPRS和专利无线电协议现已成为新产品开发的标配功能。毫无疑问,无论连接是周期性或是一天24小时不间断的,家庭健康监护设备都必须实现可靠、低功耗和无线通信。Continua Alliance在将各种不同的设备与第三方技术相结合方面发挥着重要的作用。

家庭健康监护有三大类:

  • 疾病管理
  • 健康与保健
  • 安全

疾病管理包括血糖管理、心脏监护、脉搏血氧仪(Sp02)、连续血压和呼吸监测。预计这些设备将在临床指导下使用。设备需经过某种法规认证(比如FDA),并且合规性要求将与这些设备在医院环境下使用时一样高。此外,设备还必须体积小巧、便于携带、低功耗且能连接。

诸如ADI的3导联ECG模拟前端(AFE) ADAS1000-3等产品提供诊断质量信号,确保符合法规要求,并支持家庭健康所提出的小型化、便携、低功耗等要求。

图4. ADAS1000 3电极ECG AFE简化框图

健康与保健设备有时候需要第三方来提供使用动机;相比之下,疾病管理的设备连接动机是显而易见的(比如严重后果)。例如,当我们站在电子秤上的时候,采取何种后续动作取决于我们对称量结果的情绪反应。我们可能会为减去几磅体重而感到十分高兴,然后便有了继续在跑步机上跑步的动力;或者,我们会为费了很大的劲却几乎没有收获而感到沮丧,然后回到沙发的安逸舒适中。(结果也可能完全相反——以在沙发上舒适地呆上一晚作为减去几磅体重的奖励。)

管理自身健康时,我们都会遇到挑战,尤其当没有明确结果或回报的时候。第三方动机通常是必须的。有无数个智能手机应用程序旨在帮助我们管理我们的健康状况,包括卡路里消耗和卡路里摄入、步伐计数器、饮食管理和练习指导。所有这些设计都是为了能让我们继续走在健康之路上而提供动机。

游戏机提供了家庭锻炼平台,将动机目标融入其中。对于家庭健康与保健而言,监护设备内的技术需要与动机指导关联,以便提供反馈与鼓励。

跌倒检测器是目前老年人口中最为流行的设备之一。虽然这些设备无法阻止跌到,但它们能向权威人士发出不良事件的远程警报。这些设备的关键要求是低功耗、小尺寸和连接性。它们还要能够区分快速坐下和真实跌到之间的区别。延长电池寿命很重要,因为更换电池可能需要看护者进行访问或第三方访问,使设备穿戴者产生额外支出。电池耗尽意味着检测器失效,穿戴者因而需承受额外风险。跌到检测器采用低g加速度计检测并区分运动类型。ADXL362是业界功耗最低的三轴MEMS加速度计,ADXL362在100 Hz工作数据速率(ODR)时的工作电流为1.8 μA,400 Hz ODR时 为3 μA,处于运动激活唤醒模式时功耗仅为270 nA,待机电流为10 nA,可延长跌倒检测器的电池寿命数月之久。

图5. ADI微功耗三轴MEMS加速度计ADXL362支持活动监测应用,包括计步 器和老人跌倒检测器

运动/健身

健康监护方面,增长最快的细分市场之一是运动和健身。这两类监护分别是:

  • 健身
  • 安全

一般而言,心率监护仪采取胸带或跑步机握把的形式进行健身管理。基于电极的心率监护仪依然是记录心脏输出的常用方式。而有所变化的则是电极的组成方式。例如,在布料编织过程中使用导电材料的新纺织技术可实现人体更大面积的生物电信号拾取。

人体穿戴式监护仪同样要求具有低功耗、小尺寸且不牺牲性能。ADI心率监护仪(HRM)模拟前端(AFE) AD8232可有效获取生物电信号,同时保持低电源使用率和低成本。该器件重要特性有:导 联脱落检测、波形快速恢复、右腿驱动和灵活的架构,可实现外部滤波器配置,有助于减少运动伪像效应。AD8232 HRM AFE采用175 μA(典型值)单电源,简化开发过程。

图6. ADI AD8232 HRM AFE功能框图

检测光体积描记器(PPG)信号的光学设备提供了测量心率的另一种方法。PPG设备通常戴在手腕上,利用尺动脉检测血流,从而确定心率。该方法已经应用于各种面向运动的监护设备中。

决定能量消耗、卡路里燃烧和一般健身水平的其它生命体征有:

  • 运动监护(低功耗MEMS加速度计)
  • 呼吸监测(胸阻抗或基于MEMS)
  • 汗液测量(皮肤阻抗)
  • 温度(表面通量和中心)

就体育安全性来说,脑震荡是与体育有关的最常见的受伤情况。根据疾病控制中心(CDC)的报告,在美国每年有多达380万次脑震荡与体育有关,因而该组织得出这样的结论:体育脑震荡在美国已经达到“流行病等级”。从高校到业余体育再到专业比赛,当我们了解反复性脑震荡的长期影响后,我们对于利用技术帮助 检测头部冲击的呼声也就更高了。冲击传感器的放置是一个难题。对于像美式足球这种运动来说,问题很容易解决——可在头盔中放置MEMS惯性传感器,检测来自多个方向的冲击。在赛车中,MEMS惯性传感器放置在驾驶员耳机中。但是,并非所有冲击型体育都需要头盔或头部装备。对于那些运动员来说,通过口 腔防护器中内嵌的冲击传感器来检测脑震荡级冲击。

ADI的ADXL377 15 μA, ±200 g三轴MEMS加速度计是一款冲击传感器,能满足可穿戴监护仪的要求。

图7. ADI的ADXL377 MEMS加速度计可精确测量接触运动中的脑震荡级冲击力

虽然检测头部冲击是管理脑震荡的主要步骤,但我们需要防止脑部受到冲击。目前正在研究基于头盔的气囊,该技术有望在未来普及。

工作环境

工作环境可能并不是和健康监护有关的第一环境,但由于企业需承担健康福利成本,与工作有关的健康管理计划也作为降低医疗保健福利成本的一种手段。在北美地区,保险公司通过引入某些计划,让员工注册并跟踪他们的每周或每月物理活动水平(比如每周步数),从而负担相关开支。以降低保险费用或其它财务激 励手段作为达成目标的奖励。赞助这项计划的公司可以降低福利计划的开支,并且越来越多的证据表明,健康/和谐的劳动力生产力较高。

工作环境中最常用的健康监护仪是计步器。这些小型设备可放在口袋中、绑在鞋上或髋关节上,它们内嵌的技术使其足够智能,可以分辨穿戴者正在走路、跑步或只是随意运动以尝试或愚弄设备。ADI的低功耗MEMS加速度计ADXL362提供支持计步器应用所需的全部功能。

工作环境健康管理的另一方面是压力检测。国家职业安全和健康协会(OSHA)的报告表明,四分之三的员工相信工人比上一代相比,工作压力更大。压力可通过皮肤电阻抗和心率测得。技术可嵌入日常工作相关设备中(比如电脑鼠标或键盘),以便测量这些生命体征。ADI的低功耗精密模拟微控制器ADuCM360提供理想的系统级解决方案,可精确测量皮肤电阻抗。ADuCM360是完全集成的24位数据采集系统,在单芯片上集成双核高性能多通道Σ-∆型模数转换器(ADC)、32位ARM Cortex™-M3处理器和Flash/EE存储器。

图8. ADI的完全集成24位数据采集系统ADuCM360可精确测量皮肤电阻抗

军事环境

军人暴露在最恶劣的环境中,通过穿戴式传感器远程测量军人的生命体征对于保护他们而言极为重要。

在战场上,用于医疗的远程分诊区域对于医疗团队和受影响个人的安全性而言至关重要。在很多伤员中进行优先级处理并决定谁在进入战场前需要医疗救治可以挽救生命。

心率监护仪(AD8232)、运动监护仪(ADXL362)、温度传感器(ADT7320)、压力指示器(ADuCM360)和冲击传感器(ADXL377)可单独使用,也可组合使用,以便监测服务人员的健康状况。

智能手机

我们很少提到采用智能手机通过第三方应用来帮助健康管理。不仅智能手机开发者本人,其他很多人也认为使用智能手机作为医疗监护设备的想法极其吸引人。智能手机内部已有现成的嵌入式加速度计等技术,可支持计步器、运动监护或睡眠监护应用。此外,通过各种图像分析技术,CMOS相机传感器还可用作简单的HRM,检测血流变化。然而,这些技术很费电——原因并不全在于传感器,而是这些技术为了支持这些应用而进行部署的方式。这是一个问题,因为智能手机的电能必须留作电子邮件和社交媒体应用。ADI的单导联HRM AFE AD8232和低功耗三轴MEMS加速度计ADXL362具有所需的尺寸、性能和功耗配置,嵌入智能手机中可分别独立测量心率和运动。

通过附件为智能手机添加生命体征监护功能是一个现实命题。可插入USB或音频端口,或者通过蓝牙连接的健康监护设备正大量涌现。

汽车环境

越来越多的研究正试图解决如何在有限的汽车空间中高效监护生命体征。情绪和压力传感器、心率监护、温度检测、二氧化碳检测、血糖监测、血氧饱和度和花粉检测都是旨在提高驾驶员安全性并使他们的驾驶体验更舒适的潜在应用。

但难题依然存在:如何进行测量?通过方向盘、座位、安全带?使用相机技术、电极、光学传感器、MEMS? 获取信息后该怎么做?

告诉驾驶员他可能会发生心脏病或许会导致驾驶员产生恐慌情绪,随后发生更大的灾难。但是,对于心率监护来说,唤醒驾驶员是很实际的应用。

方向盘显然是安装生命体征监护设备的好地方——AD8232 HRM可连接包裹方向盘的嵌入式电极。此外,同样的电极甚至还能用来测量皮肤电阻抗,确定压力和情绪水平。ADI的低功耗、完全集成式24位数据采集片上系统ADuCM360提供了测量皮肤电阻抗并将AD8232输出转换为数字格式的平台。

图9. 未来的汽车可能使用方向盘、座位或安全带内置的传感器提供HRM和皮肤电阻抗测量

小结

总而言之,“家庭监护”的概念涉及方方面面。通过高级技术、更好的支持基础设施以及医疗保健成本下降的毫无疑问的需求,生命体征监护将成为我们日常生活中的一部分,并可能出现在我们所需要的时间和地点,融入我们的个人全天候生态系统中。无论是进行医院或诊所外的疾病管理、支持老龄人口的独立性、培养健康的生活习惯、提升个人安全性,或者只是求一个心安理得,ADI始终站在这一发展中市场的前沿,开发传感器和信号调理技术解决方案,实现新一代生命体征监护。

作者

Tony Zarola

Tony Zarola