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(guò)去幾十年里，醫(yī)療電子產(chǎn)品在個(gè)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(cè)到使用電子溫度計(jì)進(jìn)行發(fā)燒處理等，其應(yīng)用實(shí)例不勝枚舉。目前，多項(xiàng)旨在提高用戶(hù)生活質(zhì)量的創(chuàng)新正在實(shí)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(kāi)發(fā)人員不再將眼光局限于個(gè)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(chēng)為“生物反饋”的先進(jìn)軟件智能結(jié)合起來(lái)使用的諸多應(yīng)用正在逐步興起。此項(xiàng)技術(shù)可使用戶(hù)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(jiǎn)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(wú)限創(chuàng)新助一臂之力。
現(xiàn)實(shí)需要，呼之欲出
根據(jù)世界衛(wèi)生報(bào)告的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，10年之后，美國(guó)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(guò)50歲的人口將達(dá)到12億 - 為2006年時(shí)的兩倍。人口的老齡化將推高保健成本。2009年度美國(guó)國(guó)民衛(wèi)生支出報(bào)告顯示：美國(guó)目前的保健費(fèi)用占到了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP) 的17%以上，歐洲則緊隨其后。預(yù)計(jì)保健成本在未來(lái)的10年中將會(huì)翻番。新興市場(chǎng)國(guó)家也表現(xiàn)出相似的發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)的保健支出從1995年占GDP的3.5%增長(zhǎng)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(wú)疑問(wèn)，醫(yī)療電子產(chǎn)品市場(chǎng)在所有重要領(lǐng)域都在快速成長(zhǎng)，包括消費(fèi)醫(yī)療、診斷、成像、外科手術(shù)及監(jiān)測(cè)設(shè)備。2009年，消費(fèi)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(jiàn)圖1)。
圖1：2009年全球消費(fèi)醫(yī)療出貨量，從中可以了解各類(lèi)消費(fèi)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(gè)人峰值體能訓(xùn)練裝置，近期開(kāi)始得到廣泛普及。峰值體能被定義為通過(guò)強(qiáng)化個(gè)體的運(yùn)動(dòng)機(jī)能和心理機(jī)能從而達(dá)到身體機(jī)能的最佳水平。通過(guò)諸多旨在增強(qiáng)認(rèn)知技能、情緒控制以及注意力和專(zhuān)注度等素質(zhì)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，人們可以達(dá)到上述狀態(tài)。
對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，這種機(jī)能的增強(qiáng)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(jí)管理人員而言，此類(lèi)技術(shù)則有可能增強(qiáng)其對(duì)精神壓力的調(diào)控能力。
從本質(zhì)上說(shuō)，峰值體能健身設(shè)備是這樣一種工具，它通過(guò)提供某種直接、可測(cè)量的反饋以及對(duì)日常鍛煉方法的優(yōu)化，幫助個(gè)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(yùn)動(dòng)中獲得最大益處。
個(gè)人生物反饋設(shè)備包括以下幾種分類(lèi)：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(dòng)電流圖 (EMG) 肌肉活動(dòng)反饋、體表溫度與核心溫度測(cè)量以及脈搏血氧測(cè)量等。這些都是對(duì)保健行業(yè)所熟知并且經(jīng)受住時(shí)間考驗(yàn)的診斷技術(shù)的的最新使用。如今，越來(lái)越多的新興健身產(chǎn)品正朝著增強(qiáng)使用者身體機(jī)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(cè)量和記錄腦電活動(dòng)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(jì)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為神經(jīng)反饋系統(tǒng)的方框圖。通過(guò)一個(gè)AFE與一個(gè)MSP430G2452 MCU組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié)和信號(hào)流動(dòng)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(hù)提供反饋的元件組成。較為簡(jiǎn)單的用戶(hù)反饋系統(tǒng)可通過(guò)可聽(tīng)音、彩色LED等來(lái)實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的溝通。訓(xùn)練課程中，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)或視覺(jué)提示來(lái)鎮(zhèn)靜或激活大腦。這種裝置的高端版本包括一部運(yùn)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(hù)友好型反饋。
HRV測(cè)量系統(tǒng)
HRV測(cè)量系統(tǒng)與常見(jiàn)的健身設(shè)備心率測(cè)量系統(tǒng)相似。測(cè)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(jì)系統(tǒng)中那樣)。EKG是最常用的技術(shù)，因?yàn)樗谌魏吻闆r下都能夠?yàn)榕浯髡咛峁┛煽康男阅埽还苡脩?hù)處在何種狀態(tài)(例如：搖動(dòng)或休息)都不受影響。這種系統(tǒng)需要將電極連接至用戶(hù)的胸部或手臂。EKG易于開(kāi)發(fā)且能連續(xù)工作，主要是因?yàn)镋KG信號(hào)的幅度通常為1 mV。借助新式低成本電子器件，對(duì)該過(guò)程的操控已變得的相當(dāng)簡(jiǎn)單。在現(xiàn)用的EKG型心率測(cè)量設(shè)備中，胸帶運(yùn)動(dòng)手表是一個(gè)很好的例子。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，心率變異性分析就是記錄心率并計(jì)算其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。就個(gè)體而言，在身體完全放松的狀態(tài)下HRV幾乎或完全沒(méi)有。專(zhuān)家指出：低心率且無(wú)HRV則表示人體處于最佳的放松狀態(tài)。
圖3為HRV系統(tǒng)方框圖。在這種配置方案中，一個(gè)AFE將EKG信號(hào)放大1000倍。由MCU實(shí)施數(shù)字轉(zhuǎn)換和進(jìn)一步的處理。HRV的計(jì)算方法是：首先計(jì)算心率，并利用MCU存儲(chǔ)器中的記錄心率信息推算出其隨時(shí)間的走勢(shì)。在其最簡(jiǎn)單的獨(dú)立型實(shí)現(xiàn)方案中，HRV利用LED柱狀圖來(lái)顯示。在更加高級(jí)的裝置中，HRV可通過(guò)USB或無(wú)線連接發(fā)送至PC或智能手機(jī)設(shè)備。
這里給出了一個(gè)采用MSP430G2452的EKG型心率測(cè)量系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)。
該電路可輕松擴(kuò)展以執(zhí)行HRV測(cè)量。計(jì)算HRV的另一種方法是采用常常和脈搏血氧計(jì)一起使用的技術(shù)來(lái)測(cè)量心率。圖4為基于脈搏血氧計(jì)技術(shù)的光脈沖拾波 器系統(tǒng)。
