可穿戴心脏监测设备，一个蓬勃发展的行业

　　心脏监测已经是现在可穿戴设备的常规功能，但是仍然有机会通过设备通获得更好的信息以及利用数据做更多的事情。抓住这些机会，我们可以改变从医疗领域到运动员训练以及大众健康的一切。

 

　　心脏监测，已经有100年的历史，但是准确度以及可穿戴技术的提升意味着我们可以更好的观测心脏的表现，这不仅是在医院，更是在家里，在办公时，或者甚至是在佩戴者跑一场马拉松的时候。

 

　　将这种监测转变成可操作的深入研究意味着好处多多。我们可以断定一个人在手术后的康复程度吗?我们可以量化压力吗?我们可以用一个用户舒适度高且价值高的系统来做吗?到现在为止，最精确的测量都来自于最笨重的心电监护仪以及复杂的心电导联线，而舒适度高的设备往往不能提供丰富的数据。 而下一代的产品以及服务的机会是进一步模糊医用专业设备，运动员使用设备以及普通消费电子类之间的差距。在做到这之前，我们仍有一些障碍需要克服。

 

　　为什么监测不仅仅是心率?

 

　　我们为什么希望通过可穿戴设备可以监测到心脏信号，这是一个值得问的问题。 监测患者的心率已经成为常规操作。心血管系统揭示患者在术后的恢复情况，药物的效果以及其他。心率的突然改变可能意味着很严重的问题。

 

　　高品质的心脏监护创新也来自于为运动员设计的设备，比如心率变异性(两次心脏跳动的时间的变化)，以及静息心率都表示整体健康状态。因此监测这些指标的可穿戴产品最先是为专业的运动员以及资深业余爱好者而设计。而那些更加实惠的消费电子产品则作为一般生活中应用以及健康助手被大众所用。由于心脏监测是整体健康指数，一些电子产品在心脏突然出现一些改变时候会发出警告，如房颤，一种平常但是潜在危险很大的心脏疾病。

 

　　心电图与光电容积图

 

　　不同的使用目的会导致采用的技术不同，但本质上，可穿戴心脏监护仪依赖于两种具有不同且优劣势明显的技术。

 

　　第一种是心电图，最先出现在19世纪。它测量心跳时候的信号，能够很好的反映出心脏的功能，但测量可能有点麻烦。有些医院会是用心电导联线做12导心电图，但是这个对病人活动有限制以及需要专业知识。将此类产品变成消费类电子产品牺牲了一些数据搜集以及分析，但是能够舒适地佩戴在手腕上实现点测替代连续时间监测。近年来，一些智能手机添加了心电图传感器，主要来测量房颤等事件。这些是通过身体的电信号实现的，所以我们必须一只手佩戴手环，另一只手触摸外壳来完成一个完整的电路。

 

　　在医院或者实验室外，胸带心电图是最好的选择。这不如多导联心电图准确，但是这是一个针对于用户体验以及信息获取的一个权衡。但是，大部分都不想长时间佩戴这个导联线。心脏学家曾经尝试要患者佩戴各种非植入设备。带手腕上的设备几乎是所有患者唯一能够接受的设备。

 

　　如果佩戴者能够记住或被提醒定期进行心电图检查，则效果很好，但大多数人更喜欢设备默默的自动监测。而这能够通过20世界30年代的光电容积图，即光线通过皮肤来追踪血液流动来实现。这是对心脏血液动力学的研究，例如，血压趋势，心排量，但是也提供局部的测量如组织的氧合。这种传感器的缺点是容易受到运动引起的信号丢失的影响，尤其是我们常常佩戴设备的手腕。然而，手腕真的是一个用户体验很好的部位。PPC传感器现在是健身手环和智能手表的标准配置，这也使得传感器的价格越来越低。

 

　　PPG以及ECG在心脏监护体统里面是相辅相成的。前者可以适用于各种因素并提供长期监测，后者则是基于胸腔的准确的连续监测以及基于手腕的点测。在激烈运动中，我们经常看见有PPG手腕带配置胸带。或者 PPG 手表使用 ECG 手表的点测来获得快速但可靠且易于比较的读数。PPG 传感器戴在手腕上可能最舒服，但手腕并不是监测血流的理想位置。我们的手臂经常动来动去，尤其是在锻炼时，这会破坏信号并丢失数据。系统必须视情况而去估计或不估计丢失的信息。

 

　　下一代心脏监测传感器

 

　　传感器，尤其是PPG传感器，一直都在改进，因此我们可以对未来的设备保持乐观态度。近年来，大多数制造商都定期迭代改进其PPG传感器模块的设计，这表明随着进一步改进，可能会有更多应用选项。

 

　　有现成的集成解决方案可用于测量PPG或ECG并通过串行总线导出数据。然而，与同类最佳产品相比，这些产品通常在信号质量方面有所欠缺。大多数开发人员通过组合传感器主体接口、模拟前端 (AFE) 和微控制器单元 (MCU) 来设计自己的传感器系统。

 

　　在开发之前确定将在设备上与在服务器上完成多少原始信号的处理和分析非常重要。如果只需要特定的指标而不是完整的原始数据，可以节省大量内存。

 

　　由于这些信号非常容易受到运动引起的噪声的影响，因此通常将加速度计或惯性测量单元 (IMU) 数据与心脏数据一起记录。运动数据可以通过在高强度运动期间关闭记录来帮助识别损坏的信号间隔并延长电池寿命。

 

　　对于心电图记录，MCU 将是主要的电源消耗器。集成解决方案(OFE、AFE 和 MCU)确实存在。然而，它们并不完全即插即用，因为不同的外形需要优化传感器位置和机身接口。

 

　　在开发带有心脏传感器的设备时，医疗设备制造商可以从混合敏捷方法中受益，因为我们可以预测传感器迭代的实现。

 

　　下一个挑战是将消费领域的这些发展要反馈到医疗领域。一些临床医生仍然将可穿戴设备与数据过载联系起来。他们习惯于进行单一的临床心脏评估并做出相应的决定。要医生切换到实时、丰富的数据是思维方式的改变，需要新的培训和流程。这是一个巨大的机会，可以围绕可穿戴数据为临床医生开发服务。它可以改变患者出院后的监测方式。然而，阻碍这一点的可能是监管障碍和其他进入壁垒，例如采购和支持，以及医疗保健途径的变化。这些有效地阻止了苹果和谷歌等主要科技公司进一步开拓这个市场。创建可以支持医疗保健用途的大众市场技术并不容易。这确实让较小的参与者在利基领域占有一席之地。有趣的是，可穿戴设备的消费空间看起来与 5 到 10 年前相似。

 

　　我们再一次回到增加价值的问题上。对于患者、运动员和消费者而言，具有可深入分析的高质量心脏监测具有巨大价值。如果我们能够打破现有医疗服务的障碍，教育医生和医疗服务提供者，并部署家庭和长期监测，那么我们将开始突破，为大量人提供更好的健康和福祉。我们才刚刚开始了解什么是这些事情的可能性。