生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備的研究進(jìn)展

張 磊，田澤懿，唐春暉，高秀敏

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

目前，不論是在發(fā)展中國家還是在發(fā)達(dá)國家，隨著平均壽命的增長，老齡化的問題都日趨嚴(yán)重。據(jù)預(yù)測，約到21世紀(jì)中葉，我國60歲以上的老人將達(dá)到4億，約占我國人口總數(shù)的25%[1]。根據(jù)一項(xiàng)調(diào)查顯示，我國近80%的60歲以上老人患有至少一種慢性疾病，50%同時(shí)患有至少兩種慢性疾病[2]。由此衍生出很多關(guān)于老年人醫(yī)療監(jiān)護(hù)的問題，老年人由于各項(xiàng)生理機(jī)能退化，普遍存在健康問題，很多問題需要長期監(jiān)護(hù)，但是不可能一直住在醫(yī)院接受治療。另外，針對一些慢性疾病，需要監(jiān)測發(fā)病時(shí)的生理參數(shù)，但目前的監(jiān)護(hù)方式卻需要將病人束縛在醫(yī)院，很難實(shí)現(xiàn)對病人的活動(dòng)監(jiān)護(hù)[3]。

近些年，隨著社會(huì)壓力的增大，生活節(jié)奏變得越來越快，很多年輕人也都處于亞健康狀態(tài)。長期處于這種亞健康狀態(tài)很容易引起各種疾病，嚴(yán)重的甚至?xí)疴?，這種狀態(tài)嚴(yán)重地影響著人類的健康[4]。為了能夠?qū)崟r(shí)檢測到亞健康人群的各項(xiàng)生理參數(shù)，及時(shí)了解人體健康狀況，為臨床診斷治療提供準(zhǔn)確的依據(jù)，必須對人體的各種生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以達(dá)到預(yù)防各種疾病的目的。

人體的血壓、心率、心電、血氧飽和度、體溫、輻射能量等生理參數(shù)是人體最基本、最重要的生命指標(biāo)，對這些生理參數(shù)的監(jiān)測能夠及時(shí)掌握其身體狀況的變化，最大限度地保障人們的身體健康[5]。人體各項(xiàng)生理參數(shù)反映著人體健康方面的信息，近年來，人們的醫(yī)療觀念逐漸從傳統(tǒng)的疾病治療向提前預(yù)防和保健護(hù)理方面轉(zhuǎn)變，希望能夠在家中就方便及時(shí)地了解病人、老年人和兒童等家庭成員的身體狀況，甚至希望在無人看管的情況下能夠隨時(shí)監(jiān)護(hù)病人的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對亞健康、潛伏性疾病人群的常見疾病以及突發(fā)疾病的早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)測[6-7]。

便攜的人體生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備能記錄攜帶者的健康信息變化情況，并將監(jiān)測信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)结t(yī)生手里，供醫(yī)生做出及時(shí)的診斷和治療，提高了醫(yī)院對病人病情的診斷效率。對中老年人群而言，高效的監(jiān)護(hù)手段可以帶來安全，同樣對于工作壓力巨大的青年人，在日常生活中可以得到全天24 h不間斷的監(jiān)護(hù)，也能在很大程度上獲得安全感。目前生理參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)已成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8-9]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備研究現(xiàn)狀

生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備在20世紀(jì)50年代左右就已經(jīng)出現(xiàn)了，發(fā)展至今，監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)成為了一種常規(guī)的醫(yī)學(xué)監(jiān)測設(shè)備。按監(jiān)測方式劃分，主要有穿戴式監(jiān)測設(shè)備、便攜式監(jiān)測設(shè)備、臺(tái)式監(jiān)測設(shè)備等；按功能劃分，有心電監(jiān)測設(shè)備、除顫監(jiān)測設(shè)備、睡眠監(jiān)測設(shè)備、多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備等。隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。在歐美一些國家，借助現(xiàn)在體積小、價(jià)格低的嵌入式計(jì)算機(jī)和更為發(fā)達(dá)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)出了各種可穿戴式的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其產(chǎn)品性能穩(wěn)定，價(jià)格與國內(nèi)產(chǎn)品相比有很大的優(yōu)勢。近些年隨著市場對健康監(jiān)護(hù)設(shè)備需求的增加，許多科研機(jī)構(gòu)、公司相繼開展了生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的研究與開發(fā)[10-12]。關(guān)于生理參數(shù)健康監(jiān)測的產(chǎn)品或者研究成果層出不窮，圖1為市面上的一些醫(yī)用生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備。

國外很早就對生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備研制投入了大量的人力物力，歐盟信息社會(huì)技術(shù)的FP5項(xiàng)目所研制的腕戴式生理參數(shù)監(jiān)測儀AMON，在生理參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域最先取得較大的進(jìn)展，開發(fā)出了一種腕戴式的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備。該設(shè)備功能比較強(qiáng)大，將多個(gè)傳感器集成到腕帶上，可以連續(xù)采集心電、血壓和血氧飽和度信息，還可以將數(shù)據(jù)用蜂窩網(wǎng)連接到醫(yī)學(xué)中心，對測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，并具備保健和報(bào)警等功能[13-14]。另外一個(gè)有代表性的設(shè)備是美國Vivo Metrics公司開發(fā)的可穿戴的背心式的生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備Life Shirt，即生命衫，如圖2所示。該設(shè)備通過多生物傳感器監(jiān)測人體的不同生理參數(shù)，如心電、血壓、心率、體溫以及呼吸等[15-18]，目前已經(jīng)被100多家醫(yī)院采納并作為臨床醫(yī)療儀器，對生理參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域做出了巨大的貢獻(xiàn)，但該設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)傳輸，因此無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，只能作為醫(yī)院里的定點(diǎn)醫(yī)療器械。美國 Zephyr公司的 Bioharness便攜式生理參數(shù)測量系統(tǒng)將傳感器嵌入到胸帶上，如圖3所示，可以監(jiān)測心電、心率、體溫、呼吸、身體動(dòng)作等，對數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析或者儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行后續(xù)分析。

圖1 醫(yī)用生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備Fig. 1 Medical physiological parameter monitoring equipment

圖2 Life Shirt 穿戴式生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Fig. 2 Life Shirt wearable physiological parameter monitoring system

國內(nèi)在生理參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域的研究起步較晚，與國外還有一定的差距，但是隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高和對健康監(jiān)護(hù)的重視，在該領(lǐng)域也已取得了一定的成就?，F(xiàn)在我國市面上也有一些技術(shù)比較成熟的便攜式生理參數(shù)監(jiān)測儀器，其中以北京美高儀、深圳邁瑞等為代表，其他就是一些高校和研究院的研究成果。吉林大學(xué)研制了穿戴式人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示，可以測量人體的心電信號(hào)、血壓、體溫、心率、血氧飽和度等生理參數(shù)，功能比較齊全，但在穿戴舒適度、便攜性和測量準(zhǔn)確度方面還存在不足之處[19-20]。北京理工大學(xué)研究的便攜式多參數(shù)智能醫(yī)療系統(tǒng)，可監(jiān)測的參數(shù)有心電信號(hào)、血壓、心率和血氧飽和度，可以實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的采集、處理、顯示和儲(chǔ)存功能，并可以通過無線網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)進(jìn)行互聯(lián)，完成數(shù)據(jù)的交互功能[21]。江蘇大學(xué)的多參數(shù)人體生理信號(hào)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對人體體溫、脈搏以及血氧飽和度等生理參數(shù)的監(jiān)測，而且可以通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至終端，進(jìn)行分析和處理[22]。南昌航空大學(xué)研制的可穿戴遠(yuǎn)程健康監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可檢測人體的心電、呼吸、血氧飽和度等生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的便攜化，而且該系統(tǒng)集成了多種生理異常評價(jià)算法及老年人姿態(tài)跌倒預(yù)警機(jī)制，可用于老年人防跌倒及預(yù)警[23]。劉紅等設(shè)計(jì)的人體健康智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測人體血壓、體溫、心率、脈搏、心音等情況，該設(shè)備的靈活性較好，且可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有一定的便攜性和易用性[24]。中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的盛婷鈺等設(shè)計(jì)了腕表式睡眠呼吸暫停監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測用戶的呼吸氣流、血氧飽和度、心電圖和胸腹運(yùn)動(dòng)情況，判斷呼吸是否暫停，可以記錄整晚呼吸暫停的次數(shù)，同時(shí)可以將測得的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到終端，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是佩戴方便、便攜性好，缺點(diǎn)是功能比較單一[25]。

圖3 Bioharness 便攜式生理參數(shù)測量系統(tǒng)Fig. 3 Bioharness portable physiological parameter measurement system

圖4 吉林大學(xué)設(shè)計(jì)的穿戴式人體生理參數(shù)測量系統(tǒng)Fig. 4 Wearable measurement system of human physiological parameters designed by Jilin University

近幾年健康監(jiān)護(hù)設(shè)備的發(fā)展情況說明，我國在該領(lǐng)域的發(fā)展還是卓有成效的，但距離國外發(fā)達(dá)國家還有著一定的差距，因此還需政府、研發(fā)機(jī)構(gòu)以及醫(yī)療部門齊心協(xié)力來促進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備可以監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要是心電、血壓、血氧飽和度、心率、呼吸和體溫等，監(jiān)測設(shè)備的類型雖然比較多，但其檢測原理大多類似。血壓采集：主要采用光電容積法，利用脈搏波信號(hào)和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間提取特征參數(shù)，選擇相關(guān)性較高的特征參數(shù)建立相應(yīng)的血壓計(jì)算模型，最終確定血壓值[26-30]，還有一種方法是通過采集ECG（electrocardiogram）信號(hào)和PPG（photoplethysmography）信號(hào)，提取特征值并建立血壓模型，從而確定血壓值[31-32]。血氧飽和度采集：主要根據(jù)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對不同波長的入射光反射的區(qū)別，通過傳感器探測和接收光電信號(hào)，通過處理即可算出血氧飽和度值[33-35]。心電信息采集：以氯化銀電極片貼于人體胸腹和手腳，采集體表任意相隔一定距離的兩個(gè)部位間形成的電位差，來獲取心電與呼吸的信息，該方法具有價(jià)格低廉、信號(hào)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[36-38]，還有一種電極是接觸式干電極，相較于濕電極，其無需涂抹導(dǎo)電膏，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心電信號(hào)采集，其中織物電極如帽子等，可從穿戴式電極的數(shù)據(jù)獲取心電信息，因此被廣泛應(yīng)用于穿戴式醫(yī)療設(shè)備[39]。

目前，生理信息技術(shù)的研究難點(diǎn)以及關(guān)鍵點(diǎn)主要是生理參數(shù)采集技術(shù)和生理參數(shù)傳輸技術(shù)。其中生理參數(shù)采集技術(shù)的研究重點(diǎn)主要是血壓參數(shù)、心電參數(shù)、血氧參數(shù)等主要參數(shù)的采集。黃俊驍?shù)仍O(shè)計(jì)了警員可穿戴多體征參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示，其中警盔利用反射式探頭采集光電容積脈搏波，即PPG信號(hào)，用來檢測血氧飽和度，利用T恤上導(dǎo)電硅膠和 ADS1292R 采集心電ECG信號(hào)，來達(dá)到檢測心電和心率的目的[40]。浙江大學(xué)的許文媛等利用成像式光電容積描記技術(shù)，通過高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了非接觸式獲取脈搏波信號(hào)的相位差和心率，根據(jù)人體血壓值與脈搏波相位差和心率的關(guān)系，通過曲線擬合得到血壓值計(jì)算函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了基于高速攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)血壓非接觸獲取[41]。蔣曲博等設(shè)計(jì)了反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)，提出了一種基于集成芯片AFE4490的脈搏血氧信號(hào)監(jiān)測方案，并利用基于小波變換的濾波算法實(shí)現(xiàn)了對血氧信號(hào)的去噪處理，獲得了高質(zhì)量的反射式容積脈搏波[42]。武漢大學(xué)的廖遠(yuǎn)等設(shè)計(jì)的低功耗便攜式多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)采集系統(tǒng)，采用直流耦合方法，通過生物電位測量ADS1298模擬前端，并在其中通過可編程儀表放大器進(jìn)行放大，最終實(shí)現(xiàn)微弱心電信號(hào)的采集和獲取[43]。李艷設(shè)計(jì)了基于柔性電子技術(shù)的可穿戴式產(chǎn)品系統(tǒng)，如圖6所示，采用了目前非常熱門的柔性電子技術(shù)，基于柔性石墨烯織物心電電極設(shè)計(jì)了柔性可穿戴背心，并可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端顯示，用戶舒適性較好，不失為未來的一個(gè)大的發(fā)展趨勢[44]。

圖5 警員可穿戴多體征參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 5 Police wearable multi-sign parameter monitoring system

生理參數(shù)傳輸技術(shù)主要包括生理信息的上傳、處理、顯示以及人機(jī)交互等，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸主要是采用WLAN、GPRS、4G等，低功耗近距離傳輸則主要是利用藍(lán)牙、ZigBee等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如今手機(jī)、電腦等都內(nèi)嵌藍(lán)牙模塊，因此可以利用藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)揭苿?dòng)終端上顯示，只需在手機(jī)和電腦上安裝指定的App，即可實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測[45]。中國計(jì)量大學(xué)的竺春祥等設(shè)計(jì)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，相關(guān)人員可以通過客戶端遠(yuǎn)程訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)時(shí)了解被測人員的生理參數(shù)。該系統(tǒng)檢測精度高、便攜性好、功耗低、性價(jià)比高[46]。江蘇大學(xué)的王娟等設(shè)計(jì)了基于Android平臺(tái)的多生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：信號(hào)采集、將信號(hào)通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)終端、在手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)心電、脈搏波波形繪制以及心率、呼吸、血氧和脈搏值的實(shí)時(shí)顯示[47]。曹德森等設(shè)計(jì)的隨行生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由隨行生理參數(shù)監(jiān)測終端、中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以及無線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，利用基于WIFI技術(shù)的組網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器和算法服務(wù)器對隨行生理參數(shù)監(jiān)測終端監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，并支持醫(yī)療大數(shù)據(jù)深度挖掘和分析應(yīng)用[48]。

圖6 基于柔性電子技術(shù)的可穿戴式產(chǎn)品系統(tǒng)Fig. 6 Wearable product system based on flexible electronic technology

隨著傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，生理信息采集技術(shù)和傳輸技術(shù)也在不斷發(fā)展，如柔性電子應(yīng)變傳感器、電子皮膚觸覺傳感器等新技術(shù)傳感器，以及基于藍(lán)牙、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WIFI的物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)和無線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些技術(shù)正是目前生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，因此生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展也在帶動(dòng)著生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的飛速發(fā)展。

2 總結(jié)與展望

目前國內(nèi)在生理參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域的研究大都停留在研究階段，很少有比較成熟的、可以面向市場投入使用的設(shè)備和系統(tǒng)，而國外很多產(chǎn)品都已經(jīng)商品化了，因此在該領(lǐng)域還要我們投入更多的人力物力進(jìn)行研究。生理參數(shù)監(jiān)測的方式也在不斷發(fā)展，從個(gè)人監(jiān)測到大眾監(jiān)測，從單生理參數(shù)到多生理參數(shù)，從單臺(tái)設(shè)備監(jiān)測到多臺(tái)設(shè)備互聯(lián)監(jiān)測，從醫(yī)院監(jiān)測到社區(qū)和普通家庭的使用，需要有更多的產(chǎn)品來滿足人們的需求。但是目前生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備還存在著一些問題，如體積較大、功耗較大、便攜性較差、操作比較繁瑣、設(shè)備昂貴、需要專業(yè)人員操作等，這對測量人員的素質(zhì)、監(jiān)測裝置和檢測技術(shù)都提出了新的要求。

現(xiàn)有生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)，雖然在生理信息的采集、處理、傳輸以及預(yù)報(bào)警上有不少新的方法，但大部分還處于初步探索階段，暫時(shí)還不能應(yīng)用于臨床，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還需要實(shí)現(xiàn)共享和實(shí)現(xiàn)通用，臨床檢測數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步研究。但隨著傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域的技術(shù)也在飛速發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域?qū)?huì)迎來新的變革。

目前生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備和生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)主要的發(fā)展趨勢有：

（1）便攜化。在保證設(shè)備功能和測量精度的前提下，減小設(shè)備的體積，減輕設(shè)備的重量，以達(dá)到方便用戶使用和攜帶的目的。

（2）智能化。設(shè)備功能越來越完善，可測量的參數(shù)越來越多，且越來越智能，不僅有基本的生理參數(shù)檢測，還可以增加一鍵呼叫醫(yī)生和子女等非常人性化的功能，利用人工智能和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使人機(jī)交互更加人性化。

（3）精準(zhǔn)化。醫(yī)療數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確性是醫(yī)療設(shè)備的必備要求，也是醫(yī)生指定醫(yī)療方案和計(jì)劃的基礎(chǔ)。生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備作為一種醫(yī)學(xué)設(shè)備，其準(zhǔn)確度影響著醫(yī)療質(zhì)量和生命安全，因此生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)需要不斷突破，達(dá)到更高的精度。

（4）網(wǎng)絡(luò)化。通過網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、局域網(wǎng)等方式，將測得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云端，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，供用戶參考。

（5）模塊化。使用豐富的模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)用戶的不同要求定制不同的模塊，從而實(shí)現(xiàn)資源的最大利用。

本文概括了生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備和生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對該領(lǐng)域今后的發(fā)展趨勢提出了展望。生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備作為一種醫(yī)療器械，對醫(yī)療質(zhì)量和用戶的健康安全會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，因此生理參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域需要不斷發(fā)展，也需要更多研究人員的投入，共同促進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)步。