物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Zephyr和Intel Curie助力Neopenda可穿戴設(shè)備完成硬件升級

　　在發(fā)展中國家醫(yī)療資源極其匱乏，這使很多患者由于得不到及時救治而失去生命，尤其是新生兒，可預(yù)防性死亡率居高不下。究其原因是新生兒生命體征監(jiān)測反饋不夠及時，因此錯過了最佳救治時機。為了降低發(fā)展中國家的新生兒死亡率，聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展署提出新目標(biāo)：到2030年，全面控制新生兒和5歲以下兒童可預(yù)防性死亡數(shù)量。但是，由于發(fā)展中國家交通條件有限，將早產(chǎn)、呼吸窒息、嚴(yán)重感染的新生兒及時地送到醫(yī)院接受治療成為一大難題。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控新生兒健康體征成為可能。畢業(yè)于哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程的Teresa Cauvel女士和她的合伙人Sona Shah共同設(shè)計開發(fā)了一款用于新生兒醫(yī)療監(jiān)測的可穿戴設(shè)備Neopenda，可以實時監(jiān)測新生兒的心率、呼吸率、血氧飽和度和體溫，同時該設(shè)備可以通過無線方式連接至平板電腦和智能手機，醫(yī)護人員可以實時觀察每個新生兒的健康狀況，當(dāng)新生兒體征參數(shù)發(fā)生變化時，設(shè)備會及時提醒監(jiān)護人，以確保新生兒得到及時救治。2016年初，這對合伙人在Kickstarter組織的幫助下成立Neopenda公司，得到了思科和沃達豐的投資。

　　“對于新生兒護理來說，疾病的早期監(jiān)測非常關(guān)鍵?！盋auvel解釋，“這套設(shè)備能夠幫助工作人員更好地照顧患者。新生兒護理需要有足夠的護士、醫(yī)生、儀器和物資，一般兩個護士可以照顧50到75個嬰兒，重要信號檢測器儀器非常昂貴?！?/p>

　　低功耗、低成本滿足資源受限地區(qū)需求

　　在發(fā)展中國家，可穿戴設(shè)備受到工作環(huán)境和成本的限制。因此，在選擇技術(shù)平臺方面，Cauvel和Shah提出了幾個關(guān)鍵需求：第一，設(shè)備需要用電池供電，且功耗低，保證足夠長的待機時間;第二，由于工作環(huán)境惡劣，設(shè)備需要抗塵、耐高溫、耐磨損;第三，硬件提供商要在無線和傳感器技術(shù)方面提供全面的技術(shù)支持，方便大醫(yī)院和診所使用;第四，價格要劃算，用戶可以負(fù)擔(dān)得起。Neopenda的目標(biāo)是將每臺可穿戴設(shè)備的成本控制在50美元左右，這對醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備來說已經(jīng)非常低廉。

　　從Arduino101到英特爾Curie，硬件升級換代

　　最初，Neopenda設(shè)備的硬件部分采用了Arduino Uno開發(fā)板，運行Zephyr實時操作系統(tǒng)，配備測量各項指標(biāo)所需要的傳感器，如：脈搏傳感器、LilyPad溫度傳感器和雙LED光學(xué)傳感器。后來Arduino Uno采用帶有 WiFi的ATMega328 MCU和其它元器件構(gòu)建原型。由于WiFi功耗較高，開發(fā)者用低功耗藍牙替代了WiFi進行無線通信，但是輻射風(fēng)險又提高了。

　　在后來的研發(fā)過程中，Teresa Cauvel和Sona Shah讓新一代產(chǎn)品采用英特爾Curie模塊，運行Zephyr操作系統(tǒng)，它可兼容英特爾Quark SE CPU。Curie模塊的優(yōu)勢在于體積更小、價格便宜，效率比Arduino更高。同時，Curie模塊還提供一個ARC EM4傳感器子系統(tǒng)，內(nèi)置低功耗藍牙發(fā)射模塊和更適合復(fù)雜低功耗藍牙應(yīng)用的80KB SRAM。

　　Curie模塊的各種組件和Quark SE之間的接口通信能節(jié)約很多時間。另外，Curie的模式匹配引擎和6軸傳感器可以滿足設(shè)備的二次開發(fā);ARC子系統(tǒng)控制Curie模塊的12位ADC，完成精準(zhǔn)的DSP測量;設(shè)備配有一顆LilyPad MCP9700溫度傳感器和一顆脈沖傳感器，Neopenda開發(fā)了一套算法，可以通過脈沖率得出呼吸速率。

　　針對血氧測量，開發(fā)者用紅色發(fā)光二極管設(shè)計了一個傳感器電路板，帶有TSL235光頻轉(zhuǎn)換器，從這里可以實現(xiàn)血氧狀態(tài)測量。多路復(fù)用兩個發(fā)光二極管來計算吸收率，用GPIO驅(qū)動程序和它的反饋API來計算頻率。

　　Zephyr在系統(tǒng)設(shè)計中起到關(guān)鍵作用

　　該設(shè)備原型能夠設(shè)計成功，Zephyr起了關(guān)鍵作用。其具有模塊化特點，支持資源受限系統(tǒng)，相對于Arduino IDE具有更高級的性能?！癦ephyr功能強大，它支持ARC核、DSP子系統(tǒng)和X86主機?！盋auvel表示，“Zephyr也支持復(fù)雜傳感器多線路操作和中斷，因此系統(tǒng)可以清楚地處理來自不同傳感器的數(shù)據(jù)?！?/p>

　　開發(fā)者也將從Zephyr提供的資源中受益，Zephyr支持多種驅(qū)動和傳感器，提供示例程序和帶有交叉工具鏈的可靠SDK。在ARC處理器和主機處理器中，BSP用工具鏈編譯DSP子系統(tǒng)，支持Arduino 101開發(fā)板。編譯器和工具鏈的安裝只需要幾個小時，在Eclipse IDE的幫助下，開發(fā)者可以使用DSP和主機得到GDB調(diào)試器。

　　Cauvel對傳感器算法修改做了詳細(xì)的解釋。目前，大部分傳感器的讀取已經(jīng)實現(xiàn)，包括昂貴的商用傳感器?！拔覀冃枰谄渲屑由细道锶~變換，從而獲得精準(zhǔn)的呼吸數(shù)據(jù)?！盋auvel解釋。Neopenda公司已經(jīng)開發(fā)了一個安卓應(yīng)用，它可以中斷BLE信號并使數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化。

　　Cauvel自信地宣布，2017年，這款可穿戴設(shè)備將在烏干達試用。目前，Neopenda正在申請CE標(biāo)志認(rèn)證，這需要得到烏干達政府的批準(zhǔn)，這個計劃將在非洲推廣。Cauvel希望成千上萬生活在醫(yī)療資源匱乏地區(qū)的新生兒站在“應(yīng)得的健康起跑線”上。

　　關(guān)于Zephyr項目

　　Zephyr 項目是一款小型且可擴展的操作系統(tǒng)，尤其適用于資源受限的硬件系統(tǒng)，可支持多種架構(gòu);該系統(tǒng)高度開源，對于開發(fā)人員社區(qū)完全開放，開發(fā)人員可根據(jù)需要對該系統(tǒng)進行二次開發(fā)，以支持最新硬件、工具和設(shè)備驅(qū)動程序;該系統(tǒng)高度模塊化平臺，可輕松集成任何架構(gòu)的第三方庫和嵌入式設(shè)備。

　　關(guān)于Neopenda：

　　Neopenda是一款可穿戴設(shè)備，用于監(jiān)測新生兒的四項生命體征：心率、呼吸率、血氧飽和度和體溫，設(shè)備可以通過無線方式連接至平板電腦，醫(yī)護人員可以實時觀察每個新生兒的健康狀態(tài)，當(dāng)新生兒遇險會及時提醒監(jiān)護人。

　　Neopenda的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官是Teresa Cauvel女士，畢業(yè)于哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程。她于2015年初在哥倫比亞大學(xué)的研究生課程開始研發(fā)Neopenda，2015年8月成立公司并首次赴烏干達，參與了2015年至2016年健康加速器項目。