在發(fā)展中國(guó)家，每年有4600萬(wàn)新生兒因?yàn)椴l(fā)癥需要特殊護(hù)理，300萬(wàn)新生兒因?yàn)閾尵炔患皶r(shí)而死亡，其中80%被世界衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)為是可預(yù)防或可治療的。是什么原因使得發(fā)展中國(guó)家新生兒死亡率居高不下？據(jù)統(tǒng)計(jì)，在這些死亡案例中，34%是早產(chǎn)，24%是出生窒息，20%是感染，22%是其它原因。因此，在這些地區(qū)急需對(duì)新生兒提供高質(zhì)量的醫(yī)療護(hù)理，而這些地區(qū)的醫(yī)療形式卻十分嚴(yán)峻，醫(yī)療資源配置極低，醫(yī)護(hù)人員和設(shè)備極度缺乏，患者數(shù)量眾多，醫(yī)院負(fù)擔(dān)過重。為此，聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展署制訂了目標(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。

                  圖1：發(fā)展中國(guó)造成新生兒死亡的三大原因

   隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備以其低成本、低功耗、可網(wǎng)且更容易實(shí)施并推廣，成為有效的解決方案。特別針對(duì)醫(yī)療資源極度匱乏的地區(qū)，創(chuàng)新的科技為新生兒提供了第一步的健康保證。畢業(yè)于哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程的Teresa Cauvel女士設(shè)計(jì)開發(fā)了一款用于新生兒醫(yī)療監(jiān)測(cè)的設(shè)備Neopenda，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新生兒的心率、呼吸率、血氧飽和度和體溫，同時(shí)該設(shè)備可以通過無(wú)線方式連接至平板電腦，醫(yī)護(hù)人員可以實(shí)時(shí)觀察每個(gè)新生兒的健康狀態(tài)，當(dāng)新生兒遇險(xiǎn)會(huì)及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人，以確保新生兒得到及時(shí)救治。

   Neopenda設(shè)備的硬件采用Arduino開發(fā)板，軟件采用Zephyr實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，配備測(cè)量各項(xiàng)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。Arduino以其成熟的設(shè)計(jì)方案讓Neopenda降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，Zephyr操作系統(tǒng)以其內(nèi)核小、可伸縮性和開源性幫助Neopenda快速實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)新生兒生命體征的測(cè)量。Neopenda的早期原型采用Arduino主板及軟件，目前接近商用化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)包含Arduino 101 with Intel?Curie?, Zephyr內(nèi)核及各種傳感器。

   英特爾居里模塊的優(yōu)勢(shì)在于小體積、低成本、低功耗，板上設(shè)有12位AD轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)DSP精確測(cè)量；內(nèi)置的藍(lán)牙BLE、加速度計(jì)、陀螺儀傳感器和模式匹配引擎，可用于可穿戴設(shè)備的二次開發(fā)。

Zephyr操作系統(tǒng)：小內(nèi)核，低功耗，支持廣泛的架構(gòu)

  Zephyr操作系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是內(nèi)核很小，可在內(nèi)存低至 8kB 的系統(tǒng)上運(yùn)行，甚至可在 RAM 最小為 2KB 時(shí)運(yùn)行，可以在內(nèi)存受限的可穿戴設(shè)備上運(yùn)行。Zephyr 內(nèi)核能夠?qū)⒉僮鬟M(jìn)程與裸機(jī)操作系統(tǒng)的其它進(jìn)程進(jìn)行分離，也稱為微核和超微內(nèi)核。超微內(nèi)核負(fù)責(zé)所有基本操作任務(wù)，包括通過基于內(nèi)部光纖的積壓作業(yè)(backlog)執(zhí)行任務(wù)。微核功能更強(qiáng)大，允許多任務(wù)處理和內(nèi)存存儲(chǔ)，但只在必要時(shí)使用，為復(fù)雜的傳感器操作和通信提供多線程和中斷服務(wù)。

  作為開源系統(tǒng)，Zephyr操作系統(tǒng)支持多種架構(gòu)，如ARC內(nèi)核（DSP子系統(tǒng)）和X86主機(jī)芯片，其中X86芯片具有更大的RAM容量，滿足復(fù)雜的BLE應(yīng)用，提供豐富的驅(qū)動(dòng)和傳感器程序，如ADC、GPIO、I2C、SPI、UART、BLE等，全面支持Neopenda設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。

全面的代碼支持，加速設(shè)計(jì)進(jìn)程

 Zephyr SDK為設(shè)計(jì)者提供工具鏈，可以用于DSP子系統(tǒng)和X86主處理器的編譯，編譯器和工具鏈可以快速安裝，有助于設(shè)計(jì)者節(jié)省開發(fā)時(shí)間。GDB調(diào)試器與DSP子系統(tǒng)和主處理器協(xié)調(diào)工作，調(diào)試時(shí)，Eclipse IDE和GDB一起運(yùn)行。除此之外，Zephyr還針對(duì)BLE應(yīng)用提供多種代碼，開發(fā)者可以直接采用，無(wú)需重復(fù)設(shè)計(jì)代碼，加速設(shè)計(jì)進(jìn)程。

基于Zephyr操作系統(tǒng)的Neopenda監(jiān)測(cè)實(shí)例

結(jié)合peripheral_hr示例代碼展示Neopenda設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新生兒的四個(gè)生命體征。

                   圖2：Neopenda設(shè)備監(jiān)測(cè)流程

如圖2所示，監(jiān)測(cè)流程如下：
   監(jiān)測(cè)設(shè)備從脈搏傳感器、溫度傳感器、脈搏血氧傳感器采集獲得對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，ARC核傳感器子系統(tǒng)應(yīng)用ADC驅(qū)動(dòng)測(cè)量模擬輸入；支持X86主機(jī)芯片的Zephyr系統(tǒng)將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)顯示到對(duì)應(yīng)的界面上，用戶可以在APP端監(jiān)測(cè)測(cè)量結(jié)果。

脈搏和血氧監(jiān)測(cè)結(jié)果：

安卓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面：

   盡管還有一些需要改進(jìn)的地方，Neopenda設(shè)備已經(jīng)在烏干達(dá)開始規(guī)劃及試用研究，未來(lái)會(huì)擴(kuò)展到東非以及全世界醫(yī)護(hù)資源匱乏的發(fā)展中國(guó)家，Zephyr將會(huì)一直助力Neopenda項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、完善，為挽救新生兒生命做出貢獻(xiàn)。