國(guó)外對(duì)于穿戴式醫(yī)療設(shè)備的研究進(jìn)展

鄭銳龍

(上海中醫(yī)藥大學(xué)，上海 201203)

近幾十年中，電子技術(shù)、生物相容性材料和納米材料的巨大發(fā)展促進(jìn)了可穿戴設(shè)備和可植入設(shè)備的發(fā)展，使通過(guò)小型傳感器和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備進(jìn)行診斷和評(píng)估預(yù)后成為可能，并極大地提高了醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量和效率?？纱┐髟O(shè)備正廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，特別是隨著全球老齡化的加重，各種高血壓、糖尿病等慢性疾病變得越來(lái)越多發(fā)，針對(duì)這些慢性病患者需要進(jìn)行長(zhǎng)期的健康狀況監(jiān)測(cè)，因而具有可持續(xù)性監(jiān)測(cè)功能的可穿戴設(shè)備行業(yè)發(fā)生巨大變化，可穿戴設(shè)備逐漸演變?yōu)榕浼?、集成服裝、身體附件和身體嵌入件。

1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的功能與核心組成

1.1 功能

穿戴式醫(yī)療設(shè)備可將體征信號(hào)檢測(cè)技術(shù)融合在日常穿戴的衣物、飾品當(dāng)中，是具有便攜、操作簡(jiǎn)單、長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作、智能顯示診斷結(jié)果、異常生理狀況報(bào)警和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)的儀器，可以廣泛應(yīng)用于家庭護(hù)理保健、睡眠質(zhì)量分析、慢性疾病監(jiān)護(hù)、應(yīng)急救治救護(hù)、特殊人群監(jiān)護(hù)等方面，是一種全新的概念和模式[2]。

1.2 核心組成

1.2.1 生物醫(yī)學(xué)傳感器

生物醫(yī)學(xué)傳感器是指能夠?qū)⑸矬w內(nèi)各種生命信息轉(zhuǎn)化為醫(yī)學(xué)儀器可用的電信號(hào)的器件或裝置，主要由敏感器件、轉(zhuǎn)換擴(kuò)展器件和電子線(xiàn)路組成。

1.2.2 電子織物

電子織物是傳感器與紡織技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。即將生物傳感器集成到布料中，使其不僅具備可穿戴等普通衣服的特點(diǎn)，而且能夠監(jiān)測(cè)穿戴者的生理指標(biāo)，執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，并具備無(wú)線(xiàn)通信能力[3]。

1.2.3 軀感網(wǎng)

軀感網(wǎng)是指體表或體內(nèi)的傳感器、醫(yī)療設(shè)備以及為其處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的通信處理設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)人體生理信號(hào)獲取，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析與處理的基本平臺(tái)，與一般網(wǎng)絡(luò)相比，軀感網(wǎng)以人為節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，即以人體為傳輸媒介進(jìn)行生物信號(hào)與電信號(hào)的傳輸[4]。

2 儀器研究進(jìn)展

近5年來(lái)，國(guó)外對(duì)于可穿戴設(shè)備的研究主要集中于對(duì)心臟的監(jiān)測(cè)，此外，還有對(duì)可穿戴透析設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以及基于體液的可穿戴設(shè)備的研發(fā)及其他慢性病檢測(cè)儀器的研究。

2.1 可穿戴心臟監(jiān)測(cè)設(shè)備

近年來(lái)，國(guó)外對(duì)于可穿戴心臟監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究從未停止過(guò)腳步，例如Al-Makhadmeh等[5]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的、用于收集患者心臟病前后心臟細(xì)節(jié)變化的醫(yī)療設(shè)備。設(shè)備使用高階玻爾茲曼深度信念神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理不斷傳輸?shù)结t(yī)療中心的信息，采用深度學(xué)習(xí)法從以往的分析中學(xué)習(xí)心臟病的特征，然后通過(guò)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的有效處理來(lái)達(dá)到效率。實(shí)驗(yàn)得出高階玻爾茲曼深度信念神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和基于信息學(xué)的分析，其識(shí)別心臟病的準(zhǔn)確率為99.03%，時(shí)間復(fù)雜度為8.5s，通過(guò)降低心臟病診斷的復(fù)雜性，有效地降低了心臟病的病死率。Vincenzo等[6]也為心臟病患者設(shè)計(jì)了一款可穿戴設(shè)備，即第二代生命心電圖，這款設(shè)備配合移動(dòng)應(yīng)用程序，可以跟蹤患者的心電圖、動(dòng)脈血氧飽和度、皮膚溫度和身體活動(dòng)等生物參數(shù)。

2.2 可穿戴透析設(shè)備

國(guó)外對(duì)于可穿戴透析設(shè)備也有較大突破，例如Wester等[7]在開(kāi)發(fā)可穿戴透析設(shè)備中，構(gòu)建了一個(gè)微型透析裝置對(duì)山羊血液進(jìn)行透析，探索了電氧化去除尿素是否可以有效和安全地應(yīng)用于機(jī)體內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，電氧化對(duì)鉀、磷酸鹽的去除率與電解質(zhì)平衡幾乎沒(méi)有影響。然而，在較高的透析液流速下，可以觀(guān)察到輕微的氨釋放和氯釋放，對(duì)酸堿平衡的影響較小，可能與氯化物的注入有關(guān)。輕度溶血可能與尿素滴注有關(guān)。最后得出臨床相關(guān)的尿素去除是通過(guò)電氧化在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。因此，在尿毒癥的大型動(dòng)物模型上進(jìn)行有效性和安全性的試驗(yàn)是很有必要的。Kim等[8]也提到最近的技術(shù)進(jìn)步使得移動(dòng)透析設(shè)備原型的創(chuàng)造成為可能，這些原型已經(jīng)測(cè)試了其可為個(gè)體提供連續(xù)而不是偶爾透析的能力，據(jù)此提出可移動(dòng)腎臟改善活力(AKTIV)的設(shè)計(jì)進(jìn)展，認(rèn)為AKTIV有潛力改善患者的生活質(zhì)量和降低病死率。

2.3 可穿戴體液分析設(shè)備

對(duì)于體液的收集分析是近年來(lái)新興的醫(yī)療技術(shù)，這涉及到流體取樣技術(shù)。眼淚是無(wú)線(xiàn)、非侵入性可穿戴設(shè)備的最佳目標(biāo)，基于眼淚的平臺(tái)在過(guò)去10年中發(fā)展迅速。盡管越來(lái)越多的眼淚分析物被發(fā)現(xiàn)與多種疾病有關(guān)，但葡萄糖仍然是基于眼淚的可穿戴設(shè)備的主要目標(biāo)。Yu等[9]討論了基于眼淚的可穿戴設(shè)備的各個(gè)方面，指出目前的努力已經(jīng)超越了目測(cè)和系統(tǒng)疾病標(biāo)記，轉(zhuǎn)向了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)，此外，基于眼淚的可穿戴設(shè)備也有潛力用于治療一些眼部疾病。

2.4 其他設(shè)備

對(duì)于其他慢性病的檢測(cè)，Rugg-Gunn等[10]提到SUDEP設(shè)備，SUDEP通常監(jiān)測(cè)一系列參數(shù)，包括腦電圖、心臟和呼吸模式，并能檢測(cè)運(yùn)動(dòng)、皮膚電傳導(dǎo)變化和肌肉活動(dòng)。具有多模式的SUDEP設(shè)備提高了檢出率和減少了假陽(yáng)性警報(bào)。雖然大多數(shù)單峰和多模態(tài)裝置能夠可靠地識(shí)別癲癇等疾病發(fā)作，但與無(wú)或極輕微運(yùn)動(dòng)相關(guān)的發(fā)作常常未被發(fā)現(xiàn)。目前，絕大多數(shù)的設(shè)備應(yīng)用于檢測(cè)但不提供積極干預(yù)。因此，在最好的情況下，其可表明癲癇活動(dòng)的存在，以便準(zhǔn)確確定真正的癲癇發(fā)作頻率或方便他人干預(yù)，然而，這可能影響SUDEP的比率。

到目前為止，還沒(méi)有用于治療夜遺尿、夜間尿床的可穿戴報(bào)警器，所以Caswell等[11]正在開(kāi)發(fā)一種安全、舒適、無(wú)侵入性的可穿戴真空預(yù)報(bào)警設(shè)備，希望為患有夜遺尿的兒童及其家人帶去福音。

帕金森病(PD)的一個(gè)重要癥狀是步態(tài)凍結(jié)(FOG)的發(fā)生，這是一種會(huì)導(dǎo)致帕金森患者頻繁跌倒和相應(yīng)傷害的偶發(fā)性疾病。有各種各樣的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)和其他類(lèi)型的刺激干預(yù)，可以用來(lái)誘導(dǎo)PD患者避免霧發(fā)作。Punin等[12]設(shè)計(jì)了一種低成本的可穿戴系統(tǒng)，用于無(wú)創(chuàng)步態(tài)監(jiān)測(cè)和由霧發(fā)作引起的下肢表面振動(dòng)刺激的外部傳遞。其目的是減少霧期的持續(xù)時(shí)間，從而使步態(tài)迅速恢復(fù)，以防止重大傷害。該系統(tǒng)基于A(yíng)ndroid移動(dòng)應(yīng)用，使用三軸加速度計(jì)來(lái)采集步態(tài)數(shù)據(jù)。此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是在一個(gè)低成本的裝置中集成檢測(cè)和刺激。最后對(duì)系統(tǒng)的敏感性、特異性和有效性進(jìn)行分析，驗(yàn)證其實(shí)用性。

3 軟件進(jìn)展

可穿戴醫(yī)療設(shè)備已成為醫(yī)療行業(yè)的主導(dǎo)趨勢(shì)，所以開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)用于設(shè)計(jì)可穿戴醫(yī)療應(yīng)用的軟件平臺(tái)具有較大需求。Zhang等[13]開(kāi)發(fā)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于設(shè)計(jì)可穿戴醫(yī)療應(yīng)用的軟件平臺(tái)，其在微控制器上的代碼占用很小。它得到了開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS的支持，并補(bǔ)充了一套用于數(shù)據(jù)采集和無(wú)線(xiàn)通信的微控制器上特定架構(gòu)硬件接口的標(biāo)準(zhǔn)API。當(dāng)與FreeRTOS中的多任務(wù)特性相結(jié)合時(shí)，該平臺(tái)提供了可穿戴應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)，并易于將應(yīng)用程序代碼移植到不同的微處理器。測(cè)試結(jié)果顯示，使用該平臺(tái)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件，在適應(yīng)微控制器有限的內(nèi)存空間的同時(shí)，在CPU使用方面也具有較高效率。

4 材料進(jìn)展

在可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展中，材料的研究與發(fā)展也占有重要地位，尤其是新興的軟材料的發(fā)展，具有較大影響。在許多可穿戴和可植入的設(shè)備中，軟材料電子設(shè)備與傳統(tǒng)的剛性和笨重設(shè)備相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

Herbert等[14]綜述了國(guó)外近年來(lái)在醫(yī)藥、醫(yī)療保健和人機(jī)界面軟材料電子開(kāi)發(fā)方面的進(jìn)展后發(fā)現(xiàn)，軟材料電子設(shè)備增強(qiáng)了機(jī)械的靈活性和延展性，且軟材料允許與皮膚和組織無(wú)縫集成，與人體組織具有更好的兼容性。最后提出生物可降解的軟性植入式電子設(shè)備也正在開(kāi)發(fā)用于瞬態(tài)監(jiān)測(cè)。新的復(fù)合材料、集成策略和制造技術(shù)正在被開(kāi)發(fā)，以進(jìn)一步推進(jìn)軟電子學(xué)。其他材料如石墨烯、相關(guān)的二維晶體和混合系統(tǒng)可以滿(mǎn)足電子和光電子領(lǐng)域的新興需求，特別是在不斷增長(zhǎng)的印刷、柔性和可穿戴電子設(shè)備市場(chǎng)。石墨烯的柔韌性、大表面積、化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性，使其有望成為柔性和可穿戴電子設(shè)備中打印的柔性電極。

Felice等[15]回顧了石墨烯及其相關(guān)材料在可穿戴電子和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用，證實(shí)了其在該領(lǐng)域未來(lái)的應(yīng)用前景廣闊。Mirani等[16]介紹了具有微尺度形態(tài)特征的水凝膠結(jié)構(gòu)，因其能誘導(dǎo)理想的細(xì)胞行為，在此，描述了一種新的生物制造方法，由用于控制溝槽固體和中空水凝膠纖維的橫截面形狀、表面形態(tài)、孔隙率和材料組成。這些纖維被進(jìn)一步配置成三維結(jié)構(gòu)使用紡織技術(shù)，如編織和刺繡方法。此外，通過(guò)結(jié)合載藥微球、導(dǎo)電材料和磁性顆粒，這些纖維具有整合各種生化和生物物理線(xiàn)索的能力，并將其應(yīng)用于智能給藥、可穿戴或可植入的醫(yī)療設(shè)備和軟機(jī)器人。凹槽纖維誘導(dǎo)細(xì)胞排列的效果在不同類(lèi)型的細(xì)胞，包括成肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞、心肌成纖維細(xì)胞和膠質(zhì)瘤細(xì)胞上進(jìn)行評(píng)估，特別是這些纖維可誘導(dǎo)受控的肌源性分化和形態(tài)改變。

5 供能進(jìn)展

大多數(shù)便攜式或可穿戴醫(yī)療設(shè)備都是由電池供電的，然而電池不能長(zhǎng)期使用，需要定期充電或更換，這為患者和醫(yī)療工作者帶來(lái)諸多不便，所以低功耗或可自動(dòng)補(bǔ)充手機(jī)能源的醫(yī)療儀器的開(kāi)發(fā)具有較大意義?；旌涎b置可以收集太陽(yáng)能，并以電化學(xué)方式儲(chǔ)存以提供能源，由于其具備提供自主能源的潛力，這種裝置越來(lái)越受到關(guān)注。特別令人感興趣的是，它們支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器、可穿戴電子設(shè)備和自主醫(yī)療監(jiān)測(cè)的能力。許多這樣的混合裝置已經(jīng)被報(bào)道，但是在電極安排和工作模式、形式因素、材料兼容性和耐久性方面存在挑戰(zhàn)。在這個(gè)角度上，Lau等[17]回顧了這類(lèi)器件的應(yīng)用潛力和設(shè)計(jì)/制造挑戰(zhàn)。根據(jù)建議，設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料的選擇需要根據(jù)具體的預(yù)期應(yīng)用仔細(xì)選擇，以確保足夠的耐久性，并提供實(shí)際的結(jié)果，而不是其他的解決方案。Mustafa等[18]設(shè)計(jì)的超聲功率傳輸(UPT)可較好地解決電池不能長(zhǎng)期使用這一問(wèn)題，是一種很有前途的低功耗醫(yī)療無(wú)線(xiàn)功率傳輸技術(shù)。他們利用一個(gè)40kHz的超聲換能器，設(shè)計(jì)了一種為醫(yī)學(xué)應(yīng)用的可穿戴式心率傳感器供電的新原型。該系統(tǒng)由動(dòng)力單元和心率測(cè)量單元組成。功率單元包括超聲波發(fā)射器和接收器、整流器、升壓轉(zhuǎn)換器和超級(jí)電容器。心率測(cè)量單元包括測(cè)量和監(jiān)控電路，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)傳輸效率達(dá)到69.4%，相對(duì)于基準(zhǔn)裝置，心率測(cè)量精度達(dá)到97%。該工作在傳輸功率和效率方面優(yōu)于以往的工作。

Jiang等[19]提出了一種用于低強(qiáng)度超聲治療的電池驅(qū)動(dòng)的微型化裝置。該裝置由專(zhuān)用集成電路(ASIC)、芯片外數(shù)字控制塊和壓電換能器組成。測(cè)量結(jié)果表明，在電池供電電壓為3.7V的情況下，所提出的全集成DC-DC升壓變換器的最大輸出電壓為14V。峰值功率轉(zhuǎn)換效率為29%，峰值功率轉(zhuǎn)換處輸出功率為105mw。為了實(shí)現(xiàn)半橋式換能器驅(qū)動(dòng)器的高性能工作，提出了一種低功耗、傳輸延遲短的高壓移位器。壓電換能器是定制的換能器，諧振頻率為1.5MHz。在這個(gè)頻率下，該低強(qiáng)度超聲設(shè)備能夠產(chǎn)生治療功率強(qiáng)度為32的連續(xù)波超聲。這種低強(qiáng)度超聲設(shè)備成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，能夠負(fù)擔(dān)得起并可穿戴應(yīng)用。利用能量收集原理收集所有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中都存在的低水平動(dòng)能的過(guò)程在可穿戴技術(shù)中特別有意義，特別是在醫(yī)療應(yīng)用的超低功率裝置中。

Gljuscic等[20]為評(píng)估醫(yī)療應(yīng)用的可穿戴傳感器的功率需求，并解決壓電動(dòng)能收集裝置的內(nèi)在問(wèn)題，利用創(chuàng)新的壓電能量收集裝置替換電池，可以使得該裝置的質(zhì)量和尺寸均減小，有利于可穿戴設(shè)備的小型化，并極大地增加了其自主性。

6 危險(xiǎn)因素分析

可穿戴設(shè)備大多使用電池供電、射頻通信，這會(huì)使其受到一些危險(xiǎn)因素的威脅。不斷發(fā)展的無(wú)線(xiàn)技術(shù)使無(wú)線(xiàn)醫(yī)療保健系統(tǒng)能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間和范圍內(nèi)進(jìn)行通信，這使得這些系統(tǒng)容易受到基于網(wǎng)絡(luò)的攻擊，包括通過(guò)嗅探和釣魚(yú)攻擊竊取信息。Sethuraman等[21]提出無(wú)人機(jī)(UAV)給危及無(wú)線(xiàn)醫(yī)療保健系統(tǒng)提供了一個(gè)新的、不斷發(fā)展的攻擊面。他們提出可以通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行包括兩種新型網(wǎng)絡(luò)的威脅：踏腳石攻擊和云計(jì)算攻擊，一架真實(shí)的無(wú)人機(jī)被開(kāi)發(fā)出來(lái)測(cè)試和演示其對(duì)醫(yī)療保健系統(tǒng)攻擊，這架無(wú)人機(jī)成功地攻擊了一個(gè)模擬的智能醫(yī)院環(huán)境和一個(gè)小型可穿戴醫(yī)療傳感器集合，這使得由此帶來(lái)的對(duì)可穿戴或植入的醫(yī)療設(shè)備的危害，可能導(dǎo)致患者發(fā)病率和病死率的增加。越來(lái)越多的創(chuàng)新學(xué)術(shù)團(tuán)體和企業(yè)正在開(kāi)發(fā)嵌入無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備。在醫(yī)療設(shè)施中，存在著使用射頻而受到其他射頻醫(yī)療設(shè)備的干擾、對(duì)人體健康的負(fù)面影響以及缺乏安全性的制約等風(fēng)險(xiǎn)。

7 啟示與展望

近年來(lái)，中國(guó)對(duì)于可穿戴醫(yī)療設(shè)備的研究主要集中在可穿戴康復(fù)設(shè)備的研究中，例如魯顯濤等[22]研究設(shè)計(jì)的一種可穿戴式外骨骼康復(fù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，李石林等[23]研發(fā)的穿戴式遠(yuǎn)紅外理療儀。對(duì)于穿戴式針灸設(shè)備研究也有一定的成果，例如張紅艷[24]設(shè)計(jì)的可穿戴式智能針灸理療儀。但是對(duì)于特定疾病的長(zhǎng)期檢測(cè)設(shè)備、新型材料、軟件等方面的研發(fā)，相比于國(guó)外，我國(guó)目前略顯不足。因此，為使我國(guó)能在未來(lái)穿戴式醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)占有有一席之地，在保持中國(guó)穿戴式醫(yī)療設(shè)備特色的同時(shí)，對(duì)于材料、軟件、安全、檢測(cè)設(shè)備等方面須有突破式創(chuàng)新。

穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景非常值得期待[25]，對(duì)于可穿戴設(shè)備的未來(lái)設(shè)計(jì)方向，對(duì)Kim等[8]的采訪(fǎng)結(jié)果顯示,參與者對(duì)可穿戴儀器的安全性和準(zhǔn)確性比依戀，舒適度、緊湊性或操作簡(jiǎn)單性、隱形性和移動(dòng)性也很受歡迎。

未來(lái)的可穿戴醫(yī)療儀器可能會(huì)在一個(gè)為個(gè)人量身定制的自主閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)和干預(yù)，并通過(guò)分析患者特定參數(shù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)。所以，未來(lái)的發(fā)展方向?qū)?huì)向節(jié)能、微型、個(gè)性化方向發(fā)展。