家系心所在 - Home is Where the Heart Is 如何, 测量, 健康

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作者：Tony Zarola，ADI公司医疗保健事业部战略营销经理

在提出“家庭健康监测”这个术语时，监测范围并不局限于我们所居住的四壁之中，而是对个人处于医院环境之外时的生命体征进行监测。由于“家”在理论上是我们所花时间最多的地方，因此就使用了“家庭健康”一词。然而，监测的是人而不是环境(尽管环境在决定如何测量和传递生命体征信号方面起着重要的作用)。如果将“家庭健康监测”重新命名为“个人健康监测”，则四壁将自然消失，测量生命体征的地方和方式将再无界限。本文将考察修订后的“家庭健康”监测概念，其中，从字面上讲，“家庭”是人心所在。

医疗保健在发生变化，而我们对所需要的护理类型和水平的预期也在调整以适应这些变化。在发达国家，医疗行业的投资已促使诊断和健康监测领域取得显著的进步。多数人的一般预期是，医疗行业将继续发展，发达国家的人们将方便地享受到其成果，而且这些成果也将惠及世界上那些在历史上获得支持极少的地区。然而，随着医疗成本的螺旋式上升，人们已经意识到，可能需要改变这种预期。全球来看，医疗服务在不同地区差别很大，虽然人人享受医疗这种提法在理论上十分高尚，但离现实还有很长的路要走。

创新技术降低医疗成本

降低医疗服务成本的一种办法是利用最新创新科技，使病人可以快速而安全地出院。通过在成本较低的地方(如家中)继续治疗和监测，可以降低医疗系统的成本。病人则可得到在舒适环境中康复的好处。为了保证病人的安全，为了减少反复住院导致的成本，需要设计出支持病人环境的高性能生命体征监测(VSM)装置。

院外监测(不包括诊所和医生办公室)往往与传统的家庭环境相关联。历史上来看，家庭医疗和健康监测一直体现为体温计、体重秤，有的家庭还有血压计。对于疾病管理，随着糖尿病发病率的快速增长，血糖仪是目前使用最广的医疗器械。在一定程度上，运动和健身用的心率监护仪(HRM)主要是为健身房跑步机上的胸带或手持式电极设计的，也归入院外或远程监测市场。



图1：传统家用监测器械。

大量报告、论文和研究都探讨了远程健康监测技术的各种好处，但是，只要看看有多少公司和机构投入时间和精力、以把VSM集成到终端系统之中，很快就会发现，远程健康环境远远大于传统的家庭或健身房。院外VSM市场增长迅速，有可能超过许多其他市场领域。

多种力量共同推动VSM在不同市场领域中得到应用，包括：

负面推动力：

* 全球对抑制和降低螺旋式上升的医疗成本的需要(在美国，医疗开支约占全国GDP的18%)
* 老龄化人口(到2030年，65岁以上人口将首次超过5岁人口)正在对医疗系统造成前所未有的压力
* 不健康的生活方式(肥胖是导致慢性疾病的主要原因，包括糖尿病、高血压和肺部疾病)

正面推动力：

* 使全球各地均可方便享受到医疗资源的通信基础设施
* 使得远程健康监测成为可能且符合我们的生活方式的科技进步
* 激发人们保持健康生活方式的各类支持基础设施的增长
* 人们对预防性健康监测可以减少住院的认识



图2：广义“家庭”生命体征监测(VSM)市场。

正在积极探索的市场领域包括：

* 医院(将监测带入家庭)
* 辅助生活设施
* 体育设计，包括运动场
* 学校/教育机构
* 保险/企业资助的健康计划
* 军队
* 汽车工业
* 消费产业(智能手机、智能手表、游戏)
* 动物健康(牲畜管理、宠物护理)

在这些市场领域，监测的生命体征虽然有共同点，但环境的限制以及信息的解读和使用方式却会对监测器械的效果产生很大的影响。作为技术领先企业，ADI专门针对这些制约因素推出了创新解决方案。

虽然在技术上讲，动物健康监测不属于人体健康问题的范畴，但却是一个快速增长的市场，其所使用的一些科技成果与人类健康监测器械是一样的。



图3：如何监测生命体征。

家

以下将重点介绍一些市场领域及其发展目标和存在的制约因素，同时阐述使生命体征测量和监测功能成为可能的各种技术。

前面我们简要介绍了传统的家用监测器械(体重秤、体温计、血压计、血糖仪)。这些器械都是根据需要定期使用。要进行持续监测，有必要改变监测仪器的设计方式，往往还要改变使用者的动因。

器械必须采用非介入式设计，能与我们的生活方式无缝相融——这一要求反映在各个市场领域。器械必须尺寸小，而且多数都是随身穿戴，因此需要用电池供电(一次性或充电电池)。用户不喜欢经常更换电池或充电，因此，器械必须支持低功耗，以实现不中断的长期使用。

连接功能在远程健康管理方面发挥着重要作用。用于传递信息的方法取决于所监测的实际生命体征以及信息的预期接收者。例如，跌倒检测仪要求低延迟、实时信息传递，而心率监护仪(HRM)则可能只要求定期上传。信息传递方式正在走向无线模式。目前，智能蓝牙、Wi-Fi、GPRS和各种专有无线电协议已成为新产品的要求。毫无疑问，无论是定期连接还是24/7全天候持续连接，家庭健康监测器械都必须具备可靠的低功耗无线通信功能。Continua Alliance在推动第三方监督条件下的非同质器械连接方面发挥着重要作用。

家庭健康监测分为三类：

* 疾病管理
* 健康和保健
* 安全性

疾病管理包括血糖测量、心脏监护、脉搏血氧饱和度(Sp02)、持续血压和呼吸监测。据预计，这些器械将在临床就诊后由医生开处方购买。这些器械需要一定层次的监管审批(如FDA)，其合规要求与医院环境专用器械相同。另外，器械必须尺寸小、便携、功耗低，并具备连接功能。

如ADI公司ADAS1000-3(一款3引脚心电图模拟前端(AFE))一类的产品可提供诊断级信号以达到合规要求，而且具有尺寸小、便携和功耗低等家庭健康监测器械的前提条件。

与疾病管理不同，因为连接监测仪的动力是不言自明的(比如，可能导致可怕后果)，对于健康保健器械的使用，有时是需要由第三方提供动力。例如，当我们站在体重秤上时，我们选择的跟进措施可能取决于我们对结果的情感反应。我们可能因为减了几磅而感到高兴，并愿意继续在跑步机上锻炼，也可能因为大量努力不见效果而感到沮丧，并决定在客厅沙发上享受舒适生活。(也可能正好相反——可能因为减了几磅而躺在沙发上，作为对自己的一种奖励。)



图4：ADAS10003电极心电图模拟前端的简化框图。

说到健康管理面临的挑战，尤其是在没有明确的成效时，我们都能表示理解。通常需要由第三方为我们提供动力。目前已有数千个智能手机应用，旨在帮助我们管理健康，包括卡路里燃烧量、卡路里摄入量、计步器、饮食管理和运动教练。这些应用都是为了激励我们，保持健康之路。

游戏机提供了一种家庭锻炼平台，融入了各种富于激励作用的目标。对于家庭保健和健康来说，监测器械所使用的技术必须与一个具有激励作用并能提供反馈和鼓励的教练相连。

跌倒检测器是当今在老年人口中使用最广泛的器械之一。尽管这些器械并不能防止跌倒，但它们能够发出远程报警，提醒有关方发生了不良事件。对这些器械的要求是功耗低、尺寸小并具备连接功能。同时还必须能区分人的快速坐下和实际跌倒动作。电池必须具备较长的续航时间，因为更换电池可能需要看护人员或第三方人员到访，结果会增加穿戴者的成本。电池没电意味着监测器失去效用，会增加穿戴者的风险。跌倒检测器使用低g加速度计来检测和区分运动类型。ADXL362是业内功耗最低的3轴MEMS加速度计。ADXL362在工作数据速率为100Hz时的功耗为1.8 μA，400 Hz时为3 μA，在运动激活的唤醒模式下时仅为270 nA，待机功耗为10 nA，可以使跌倒检测器的电池寿命延长数月。



图5：ADI公司的ADXL362微功耗3轴MEMS加速度计支持运动监护应用，包括计步器和老年监护使用的跌倒检测器。

运动/健身

健康监测行业发展最快的市场领域为运动和健身。这两类监测为：

* 健身
* 安全

传统上，健身管理使用心率监护装置实现，表现为跑步机上的胸带或把手。基于电极的心率监护方式仍然是记录心输出量的一种流行方式。但正在发生变化的是电极的构成方式。例如，新型纺织技术在编织织物时使用导电材料，从而使身体的较大面积均能拾取生物电信号。

同样，穿戴式监测器需要具备低功耗、小尺寸和高性能三大特点。ADI公司的AD8232心率监护仪(HRM)模拟前端(AFE)可以有效地捕获生物电信号，同时还具有低功耗和低成本的优势。其主要特性包括导联脱落检测、快速恢复、右腿驱动，而且采用灵活的架构设计，可以配置外部滤波器以帮助减少运动伪像的影响。AD8232心率监护仪模拟前端采用单电源供电，工作功耗为175 Μa(典型值)，简化了开发过程。



图6：ADI公司的AD8232心率监护仪模拟前端的功能框图。

用于检测光电容积脉搏波(PPG)信号的光学器械为测量心率提供了另一种方法。光电容积脉搏波检测器械一般戴在腕部，通过尺动脉来检测血流，并由此确定心率。该方法用于面向运动员的多种监测器械中。

有助于确定能量消耗、卡路里燃烧和一般健康水平的其他生命体征信号包括：

* 活动监测(低功耗MEMS加速度计)
* 呼吸监测(基于胸阻抗或MEM)
* 汗液测量(皮肤阻抗)
* 体温(表面通量和核心)

对于运动安全性，脑震荡在运动相关损伤中位居前列。据美国疾病控制中心(CDC)，美国每年发生的运动性脑震荡病例高达380万例，以致该中心认为，美国的运动性脑震荡已经达到“流行病水平”。随着对反复性脑震荡影响的认识的不断深入，从中学运动、业余运动到专业比赛，要求利用技术来帮助检测头部冲击的严重程度的呼声不断高涨。将冲击传感器置于何处是个难题。对于像美式橄榄球一类的运动，这个问题很容易解决——可以将MEMS惯性传感器放在头盔中以检测来自多个位置的冲击。在赛车运动中，则可将MEMS惯性传感器放在车手的耳机中。但并非所有冲击类运动都使用头盔或头部装置。对于这些运动员来说，可以通过置于口腔防护器中的冲击传感器来探测和测量脑震荡级冲击。

ADI公司的ADXL377 15 μA、±200 g 3轴MEMS加速度计是一款能满足可穿戴式监测器要求的冲击传感器。



图7：ADI公司的ADXL377 MEMS加速度计可精确测量接触运动中的冲击力。

虽然检测头部冲击是实现脑震荡管理的一大进步，但我们还需要预防头部冲击。有关头盔气囊的研究已经见诸文献，有望在将来某一天普及开来。

工作场所

虽然工作场所可能不是健康监测相关的首要环境，但鉴于在企业级提供健康服务的成本优势，目前有些机构已开始推出工作相关的健康管理计划，作为降低保健福利成本的一种手段。在北美地区，保险公司走在了前列，他们推出了一些计划，员工注册后可以跟踪自己每周或每月的身体活动水平(如每周行走的步数)。如果实现目标，则会获得降低保费等形式的回报，或者其他经济激励方式。主持计划的公司可以降低其福利计划成本，而且越来越多的证据表明，健康的工作队伍具有很高的生产效率。

最常见的工作场所健康监测器是计步器。这些小型器械可以放在衣服口袋中，或者绑在鞋上或臀部，而嵌入式技术则可提高其智能化程序，使其可以区分穿戴者是在散步、跑步，还是在做无规则的运动以欺骗监测器械。ADI公司的ADXL362低功耗MEMS加速度计具备全面的功能，可以完美支持计步器应用。

工作场所健康管理的另一个领域是压力检测。据美国国家职业安全及健康协会(OSHA)的一份报告，有四分之三的员工相信工作压力大于上一辈。压力可以通过电流皮肤阻抗和心率来测量。可以将测量技术嵌入日常工作相关的设备，比如计算机鼠标或键盘，以便测量这些必要的生命体征。ADI公司的ADuCM360低功耗、精密模拟微控制器为准确测量电流皮肤阻抗提供了一种理想的系统级解决方案。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-Δ型模数转换器(ADC)、32位ARM
Cortex-M3处理器和Flash/EE存储器。

军队

军人被暴露在最恶劣的条件之下，通过穿戴式传感器远程测量其生命体征对于保护他们的健康是至关重要的。

在战场上，为医学人员设置一个远程验伤区对于确保医疗小组和受影响个人的安全十分重要。在进入作战区域之前，能区分治疗优先次序，确定哪些人需要首先实施医疗救治，这是可以挽救生命的。



图8：ADI公司的ADuCM360全集成式24位数据采集系统可以精确地测量电流皮肤阻抗。

智能手机

前面我们简要提到，可以利用智能手机，通过第三方应用来帮助进行健康管理。对许多人来说，将智能手机作为医学监护器械，这本身就是一个充满魅力的概念——不仅仅是智能手机开发者。智能手机中嵌入了加速度计，这种技术本身就支持计步器、运动监护或睡眠监护应用。而CMOS摄像头传感器也可用作一种简单的心率监护仪，通过多种图像分析技术来检测血流变化。然而，这些技术会增加功耗——不一定是传感器造成的结果，而是因为这些技术支持这些应用的方式使然。这是个问题，因为智能手机的电力必须为邮件和社交媒体应用保留。ADI公司的AD8232单引脚心率监护仪模拟前端和ADXL362低功耗、3轴MEMS加速度计在尺寸、性能和功耗上完全可以满足需求，在嵌入智能手机时，可以分别独立测量心率和运动状况。

通过配件给智能手机添加生命体征监测功能是一种可行的办法。可以插入USB或音频端口，或者通过蓝牙连接的健康监测器械越来越多。

汽车

目前有人正在展开大量研究，以确定如何在汽车的狭小空间中监测我们的生命体征。情绪和压力传感器、心率监护仪、温度传感器、二氧化碳传感器、血糖监测仪、脉搏血氧饱和度(Sp02)以及花粉传感器，这些应用都有助于提高驾驶员安全，增进驾驭体验。

但仍然存在诸多挑战…如何测量？通过方向盘、座椅、安全带？使用摄像头技术、电极、光学传感器、MEMS？获得信息后如何处理？

告诉驾驶员他可能得到了心脏病，结果可能引发恐慌，并导致灾难性后果。然而，对于心率监护来说，告诉驾驶员保持清醒是现实可行的。

显然，方向盘上可安装生命体征监测器械—AD8232心率监护仪可以连接方向盘覆盖材料中嵌入的电极。另外，甚至同一电极可以用来测量电流皮肤阻抗，以便确定压力和情绪水平。ADI公司的ADuCM360低功耗、全集成式24位数据采集片上系统解决方案，为测量皮肤电流阻抗并将AD8232的输出转换成数字格式提供了一个平台。



图9：未来汽车可能通过方向盘、座椅和安全带中的传感器提供心率监护和电流皮肤阻抗测量功能。

总结

总之，“家庭监测”这个概念已开始获得新的意义。随着技术的进步、各类支持基础设施的发展以及降低健康护理成本必要性的突显，生命体征监测将成为我们日常生活的一个自然组成部分，可以随时随地满足我们的需求，融入到我们的个人远程健康生态体系之中。无论是医院或诊所外的疾病管理，是支持老年人口的独立能力，是激励健康的生活习惯，是增进个人安全性，还是免除后顾之忧，ADI公司始终都走在这个市场的前沿，积极开发相关传感器和信号调理技术方案，以实现新一代生命体征监测。

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