个人保健与峰值体能训练因技术进步而得以简化

现在，诸如MCU与AFE等高性能组件已用在多种医疗设备及小型峰值体能训练装置之中。

在过去几十年里，医疗电子产品在个人疾病管理和诊断中发挥了重要的作用。从血糖血压监测到使用电子温度计进行发烧处理等，其应用实例不胜枚举。目前，多项旨在提高用户生活质量的创新正在实施之中。医疗电子应用领域所取得的巨大进步，已促使开发人员不再将眼光局限于个人保健这一方面

目前，将传统和新型医疗电子产品与被称为“生物反馈”的先进软件智能结合起来使用的诸多应用正在逐步兴起。此项技术可使用户保持健康状态或进行峰值体能 (peak performance) 训练。生物反馈技术已经在各种各样的应用中崭露头角。简单到复杂的生物反馈系统与诸如超低功耗微控制器 (MCU)、高端嵌入式处理器及高性能模拟前端 (AFE) 等新式半导体器件可为生物反馈领域里的无限创新助一臂之力。

现实需要，呼之欲出

根据世界卫生报告的统计数据，10年之后，美国65岁以上的老年人将比现在多大约32%。到2025年，全世界超过50岁的人口将达到12亿 － 为2006年时的两倍。人口的老龄化将推高保健成本。2009年度美国国民卫生支出报告显示：美国目前的保健费用占到了国内生产总值 (GDP) 的17%以上，欧洲则紧随其后。预计保健成本在未来的10年中将会翻番。新兴市场国家也表现出相似的发展趋势。中国的保健支出从1995年占GDP的3.5%增长到2007年的5.6%。据《Economic Times》刊载的一篇文章所指，2008年，印度政府提议将公共保健支出从GDP的1%增加至3%。

毫无疑问，医疗电子产品市场在所有重要领域都在快速成长，包括消费医疗、诊断、成像、外科手术及监测设备。2009年，消费医疗的出货量在半导体产品的收入中所占的比例为33%（见图1）。

       
图1：2009年全球消费医疗出货量，从中可以了解各类消费医疗出货量在半导体产品收入中所占的百分比。

健身设备领域包括新涌现的小型个人峰值体能训练装置，近期开始得到广泛普及。峰值体能被定义为通过强化个体的运动机能和心理机能从而达到身体机能的最佳水平。通过诸多旨在增强认知技能、情绪控制以及注意力和专注度等素质的运动训练，人们可以达到上述状态。

对于运动员来说，这种机能的增强可能意味着比赛胜负结果的不同。而就CEO、CTO及其他负责制定重大决策的高级管理人员而言，此类技术则有可能增强其对精神压力的调控能力。

从本质上说，峰值体能健身设备是这样一种工具，它通过提供某种直接、可测量的反馈以及对日常锻炼方法的优化，帮助个体获得“精神战胜物质”的技能、进而而在常规体育运动中获得最大益处。

个人生物反馈设备包括以下几种分类：带脑电图 (EEG) 和脑血流图 (HEG) 的神经反馈、心率变异性分析 (HRV)、压力与放松、肌动电流图 (EMG) 肌肉活动反馈、体表温度与核心温度测量以及脉搏血氧测量等。这些都是对保健行业所熟知并且经受住时间考验的诊断技术的的最新使用。如今，越来越多的新兴健身产品正朝着增强使用者身体机能的方向发展，不仅仅面向一般的健身用途。

神经反馈系统

神经反馈系统基于负责测量和记录脑电活动的传统EEG系统之上，借助新型半导体产品替代昂贵的传统医院用装置，可以把这些系统设计成为能够在家中使用的兼具紧凑性和经济性的电池供电式系统。

图2：神经反馈系统方框图。

图2为神经反馈系统的方框图。通过一个AFE与一个MSP430G2452 MCU组合起来，实现对信号调节和信号流动的数字转换与管理。这是神经反馈系统的主要前端模块。神经系统的后端则由用于向用户提供反馈的元件组成。较为简单的用户反馈系统可通过可听音、彩色LED等来实现与用户的沟通。训练课程中，通过听觉或视觉提示来镇静或激活大脑。这种装置的高端版本包括一部运行复杂软件的笔记本电脑或PC以及一些快速执行傅里叶变换 (FFT) 的滤波器，用于分析脑电波并提供旨在帮助训练的用户友好型反馈。

HRV测量系统

HRV测量系统与常见的健身设备心率测量系统相似。测量心率的常用技术有两种：一种基于心电图 (EKG)，另一种则基于光脉冲拾波器（如同在脉搏血氧计系统中那样）。EKG是最常用的技术，因为它在任何情况下都能够为配戴者提供可靠的性能，不管用户处在何种状态（例如：摇动或休息）都不受影响。这种系统需要将电极连接至用户的胸部或手臂。EKG易于开发且能连续工作，主要是因为EKG信号的幅度通常为1 mV。借助新式低成本电子器件，对该过程的操控已变得的相当简单。在现用的EKG型心率测量设备中，胸带运动手表是一个很好的例子。

简单地说，心率变异性分析就是记录心率并计算其随时间的变化趋势。就个体而言，在身体完全放松的状态下HRV几乎或完全没有。专家指出：低心率且无HRV则表示人体处于最佳的放松状态。   

图3：心率变异性测量系统方框图。

图3为HRV系统方框图。在这种配置方案中，一个AFE将EKG信号放大1000倍。由MCU实施数字转换和进一步的处理。HRV的计算方法是：首先计算心率，并利用MCU存储器中的记录心率信息推算出其随时间的走势。在其最简单的独立型实现方案中，HRV利用LED柱状图来显示。在更加高级的装置中，HRV可通过USB或无线连接发送至PC或智能手机设备。

这里给出了一个采用MSP430G2452的EKG型心率测量系统的参考设计。

该电路可轻松扩展以执行HRV测量。计算HRV的另一种方法是采用常常和脉搏血氧计一起使用的技术来测量心率。图4为基于脉搏血氧计技术的光脉冲拾波 器系统

图4：单芯片脉搏血氧计设计方框图

呼吸波形测量

有几种方法可适用于呼吸波形测量。基本的一种是采用配有传感器（如压电式元件）的可穿戴式胸带。在一个吸气与呼气周期中，随着胸腔的扩张与收缩，压电式元件将产生有效的信号电压，此信号电压可由简单的MCU进行处理来计算呼吸率。

第二种方法是采用一个靠近鼻孔的小热敏电阻来测量呼出的气体温度。但这对使用者个体而言存在一些不便，因而并不常用。不过，这种方法易于开发，而且形成的系统可有助于计算个体所燃烧的卡路里。

第三种方法运用了阻抗充气造影术的原理。此类装置可采用一个MCU来实现。50 kHz AC激励信号的低电流（约几个μA）通过两个间隔6～8英寸放置的胸部电极传送。该方法可采用MCU的其中一个脉宽调制 (PWM) 通道来实现。胸部形成了用于该电流流动的部分阻抗通路，胸部的阻抗会随着肺部所含空气量的不同而变化。这完全是由于吸气与呼气所产生的变化，因此可以容易地计算出呼吸波形和呼吸率。

另一种方法是从胸部EKG推导出呼吸波形，除了一个用于测量HRV的传统EKG电极装置以外，此方法不需要任何额外的电极。如果有一个现成的HRV系统，那么这种方法几乎无需花钱就能实现。如图5所示，上方的迹线是经过放大和低通滤波的EKG信号。您会注意到QRS峰值中的幅度变化。这种变动实际上是由因吸气与呼气造成的胸区传导性 (thorax region conductivity) 变化所引起的。当个体吸入空气时，肺部会充满空气，进而导致胸区的阻抗增加，从而产生较低幅度的EKG波形，反之亦然。如图5中的下方迹线所示，采用简单的调幅 (AM) 解调方案能够显示呼吸波形。

图5：从胸部EKG波形推导出呼吸波形。

MCU和MEMS传感器

实际上，针对每一种健身方式都存在峰值体能应用，包括诸如举重、俯卧撑和体操锻炼等活动（见图6）。可以将一些MEMS加速计置于人体的关键部位上，如二头肌、三头肌、腹肌、腿筋等等，以获得有关肌肉收缩与扩张（因锻炼所致）的测量和反馈结果。反过来，反馈可帮助个体调整锻炼策略，以最大限度地增加肌肉微差移动 (muscle differential movements)。人们甚至有可能发现：自己多年使用的常规锻炼方式根本不是最优的。MEMS传感器是EMG系统的一种上佳的替代方案。

图6：MEMS人体局域网

EMG系统可提供相同的反馈，尽管这需要采用更加昂贵而且让使用者感觉不舒服的装置。此外，还可以将多个MEMS传感器设计成一个无线贴片 (wireless patch) ，并可使其与诸如人体局域网 (BAN) 等系统实现联网。

当今的MEMS传感器和RF无线技术正在个人保健与峰值体能应用领域开辟新的可能性。目前，在诸如稳定性监测和锻炼反馈等应用中已设计有惯性传感器（如加速计和陀螺仪）。而定向传感器（比如电子罗盘和全球定位系统 [GPS]）的应用实例则包括用于监护和跟踪老年痴呆症患者的范围内监测 (in-range monitoring)、报警以及引导。

传统的医疗诊断技术已在生物反馈领域找到了新的用途。新式生物反馈设备兼具便携性和低成本。此外，MEMS惯性传感器（例如：加速计和陀螺仪）还实现了高级生物反馈技术。而且，无线技术（特别是在人体局域网应用中）也在这一迅速崛起的生物反馈行业中催生了多种新产品。

作者：Murugavel Raju /德州仪器。Murugavel Raju是德州仪器公司（位于美国德克萨斯州达拉斯）MSP430 MCU业务部负责系统解决方案开发的全球业务经理。