個(gè)人保健與峰值體能訓練因技術(shù)進(jìn)步而得以簡(jiǎn)化

現在，諸如MCU與AFE等高性能組件已用在多種醫療設備及小型峰值體能訓練裝置之中。

在過(guò)去幾十年里，醫療電子產(chǎn)品在個(gè)人疾病管理和診斷中發(fā)揮了重要的作用。從血糖血壓監測到使用電子溫度計進(jìn)行發(fā)燒處理等，其應用實(shí)例不勝枚舉。目前，多項旨在提高用戶(hù)生活質(zhì)量的創(chuàng )新正在實(shí)施之中。醫療電子應用領(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，將傳統和新型醫療電子產(chǎn)品與被稱(chēng)為“生物反饋”的先進(jìn)軟件智能結合起來(lái)使用的諸多應用正在逐步興起。此項技術(shù)可使用戶(hù)保持健康狀態(tài)或進(jìn)行峰值體能 (peak performance) 訓練。生物反饋技術(shù)已經(jīng)在各種各樣的應用中嶄露頭角。簡(jiǎn)單到復雜的生物反饋系統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。

現實(shí)需要，呼之欲出

根據世界衛生報告的統計數據，10年之后，美國65歲以上的老年人將比現在多大約32%。到2025年，全世界超過(guò)50歲的人口將達到12億 － 為2006年時(shí)的兩倍。人口的老齡化將推高保健成本。2009年度美國國民衛生支出報告顯示：美國目前的保健費用占到了國內生產(chǎn)總值 (GDP) 的17%以上，歐洲則緊隨其后。預計保健成本在未來(lái)的10年中將會(huì )翻番。新興市場(chǎng)國家也表現出相似的發(fā)展趨勢。中國的保健支出從1995年占GDP的3.5%增長(cháng)到2007年的5.6%。據《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)，醫療電子產(chǎn)品市場(chǎng)在所有重要領(lǐng)域都在快速成長(cháng)，包括消費醫療、診斷、成像、外科手術(shù)及監測設備。2009年，消費醫療的出貨量在半導體產(chǎn)品的收入中所占的比例為33%（見(jiàn)圖1）。

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

健身設備領(lǐng)域包括新涌現的小型個(gè)人峰值體能訓練裝置，近期開(kāi)始得到廣泛普及。峰值體能被定義為通過(guò)強化個(gè)體的運動(dòng)機能和心理機能從而達到身體機能的最佳水平。通過(guò)諸多旨在增強認知技能、情緒控制以及注意力和專(zhuān)注度等素質(zhì)的運動(dòng)訓練，人們可以達到上述狀態(tài)。

對于運動(dòng)員來(lái)說(shuō)，這種機能的增強可能意味著(zhù)比賽勝負結果的不同。而就CEO、CTO及其他負責制定重大決策的高級管理人員而言，此類(lèi)技術(shù)則有可能增強其對精神壓力的調控能力。

從本質(zhì)上說(shuō)，峰值體能健身設備是這樣一種工具，它通過(guò)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(gè)體獲得“精神戰勝物質(zhì)”的技能、進(jìn)而而在常規體育運動(dòng)中獲得最大益處。

個(gè)人生物反饋設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(shí)間考驗的診斷技術(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(zhù)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

神經(jīng)反饋系統基于負責測量和記錄腦電活動(dòng)的傳統EEG系統之上，借助新型半導體產(chǎn)品替代昂貴的傳統醫院用裝置，可以把這些系統設計成為能夠在家中使用的兼具緊湊性和經(jīng)濟性的電池供電式系統。

圖2：神經(jīng)反饋系統方框圖。

圖2為神經(jīng)反饋系統的方框圖。通過(guò)一個(gè)AFE與一個(gè)MSP430G2452 MCU組合起來(lái)，實(shí)現對信號調節和信號流動(dòng)的數字轉換與管理。這是神經(jīng)反饋系統的主要前端模塊。神經(jīng)系統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)反饋系統可通過(guò)可聽(tīng)音、彩色LED等來(lái)實(shí)現與用戶(hù)的溝通。訓練課程中，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)或視覺(jué)提示來(lái)鎮靜或激活大腦。這種裝置的高端版本包括一部運行復雜軟件的筆記本電腦或PC以及一些快速執行傅里葉變換 (FFT) 的濾波器，用于分析腦電波并提供旨在幫助訓練的用戶(hù)友好型反饋。

HRV測量系統

HRV測量系統與常見(jiàn)的健身設備心率測量系統相似。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(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(guò)程的操控已變得的相當簡(jiǎn)單。在現用的EKG型心率測量設備中，胸帶運動(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算其隨時(shí)間的變化趨勢。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：心率變異性測量系統方框圖。

圖3為HRV系統方框圖。在這種配置方案中，一個(gè)AFE將EKG信號放大1000倍。由MCU實(shí)施數字轉換和進(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(shí)間的走勢。在其最簡(jiǎn)單的獨立型實(shí)現方案中，HRV利用LED柱狀圖來(lái)顯示。在更加高級的裝置中，HRV可通過(guò)USB或無(wú)線(xiàn)連接發(fā)送至PC或智能手機設備。

這里給出了一個(gè)采用MSP430G2452的EKG型心率測量系統的參考設計。

該電路可輕松擴展以執行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(lái)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