移動(dòng)醫(yī)療中生物醫(yī)學(xué)傳感器及電極研究進(jìn)展*

汪長(zhǎng)嶺　申 倩　李 治　沈華強(qiáng)　朱興喜*

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移動(dòng)醫(yī)療中生物醫(yī)學(xué)傳感器及電極研究進(jìn)展*

汪長(zhǎng)嶺①申 倩①李 治②沈華強(qiáng)①朱興喜①*

[摘要]通過(guò)評(píng)閱國(guó)內(nèi)外研究所、高校和企業(yè)的最新研究文獻(xiàn)，分析生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究進(jìn)展，闡述移動(dòng)醫(yī)療中傳感器的研究和發(fā)展方向。生物醫(yī)學(xué)傳感器的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，從種類、精度及應(yīng)用等各方面均獲得高度關(guān)注，可總結(jié)歸納為電生理類、生化檢測(cè)類、心肺監(jiān)測(cè)類及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)類。移動(dòng)醫(yī)療是現(xiàn)代醫(yī)療發(fā)展的必然趨勢(shì)，移動(dòng)醫(yī)療離不開(kāi)通訊網(wǎng)絡(luò)、智能終端以及生物醫(yī)學(xué)傳感器，其技術(shù)進(jìn)步為移動(dòng)醫(yī)療的迅猛發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]移動(dòng)醫(yī)療；生物醫(yī)學(xué)傳感器；電極；動(dòng)態(tài)血壓

①南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 江蘇 南京 210002

②南京軍區(qū)南京總醫(yī)院藥品科 江蘇 南京 210002

汪長(zhǎng)嶺,男,(1983-),博士研究生，高級(jí)工程師。南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事新醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用研究和生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)研究。

[First-author’s address]Department of Medical Engineering,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command,Nanjing 210002,China.

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)正飛速發(fā)展。移動(dòng)醫(yī)療是指通過(guò)移動(dòng)通信技術(shù)、智能終端及便攜式生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)的集成，提供方便快捷的生化檢測(cè)、實(shí)時(shí)生命體征監(jiān)測(cè)等移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療健康服務(wù)。并可集合臨床醫(yī)療數(shù)據(jù)，為醫(yī)務(wù)人員、研究人員和患者提供醫(yī)療信息服務(wù)。生物醫(yī)學(xué)傳感器分為電生理類、生化檢測(cè)類、心肺監(jiān)測(cè)類以及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)類。

1　可移動(dòng)與穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備

1957年，Holter首先嘗試在臨床使用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)的心電圖儀，并使用磁帶記錄，這正是現(xiàn)在24 h心電圖設(shè)備的原型[1]。在移動(dòng)醫(yī)療方面，便攜式產(chǎn)品成為了開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。隨著現(xiàn)代微電子和機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，使得可以制作出家用型的更加緊湊和方便的設(shè)備，如生命體征監(jiān)測(cè)腕表，具有動(dòng)態(tài)血壓、心率、血氧及呼吸等監(jiān)測(cè)功能[2-7]。可移動(dòng)穿戴監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，包括生物傳感器，便攜式數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)顯示單元。生物傳感器或電極可以是傳統(tǒng)方式佩戴，也可以設(shè)計(jì)成嵌入衣服或緊貼皮膚。無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展也使得各單元之間可通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙等技術(shù)連接，避免了使用繁雜的連接線。

2　電生理類傳感器及電極

2.1電生理測(cè)量的新型電極

通常測(cè)量心電圖(electrocardiogram，ECG)、肌電圖(electromyography，EMG)及腦電圖(electroencephalogram，EEG)等電生理信號(hào)均采用電極直接與皮膚接觸的方式，如何提高信噪比、穩(wěn)定性、不刺激皮膚成為研究重點(diǎn)。臨床上較常用的是濕式凝膠電極，而干式電極可以保證電極長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)下的穩(wěn)定性，其研究有了很大的進(jìn)展，但干式電極的可靠性還有待進(jìn)一步研究。

電容型電極，可通過(guò)衣服采集ECG信號(hào)，由硬幣大小的非接觸式電容式生物電極和低功率放大器組成(940 μW)。Prance等[8]使用電容型電極和一個(gè)超高阻抗電位傳感器，輸入電容10 pF、輸入電阻1015Ω，用來(lái)測(cè)量人體周圍40 cm范圍內(nèi)的電場(chǎng)，可以檢測(cè)到與ECG同步的波形信號(hào)。雖然40 cm空氣間隙的測(cè)量效果比10 cm空氣間隙的噪聲大許多，但仍可以獲得較好的結(jié)果；并可以同時(shí)測(cè)量呼吸信號(hào)，盡管目前呼吸測(cè)量結(jié)果還不非常穩(wěn)定，但此種真正意義上的非接觸式傳感器將成為電生理測(cè)量的新方法。

易彎曲的干式表面電極，使用時(shí)可以不需要電解質(zhì)凝膠，也不需要對(duì)測(cè)量表面進(jìn)行預(yù)處理[9]。Gargiulo 等[10]發(fā)明的導(dǎo)電橡膠電極和高輸入阻抗的放大器，使用藍(lán)牙通訊24 h不間斷的采集心電信號(hào)，可應(yīng)用于塑身和游泳訓(xùn)練中及監(jiān)護(hù)運(yùn)動(dòng)員健康，防止運(yùn)動(dòng)員猝死。

新材料碳納米管或微米線陣列電極，Ruffini等[11]通過(guò)真空鑄造的方法研制出直徑6 μm、長(zhǎng)110 μm的微米線微陣列電極，這些微米線可以刺破表皮角質(zhì)層，增加導(dǎo)電性。采用真空鑄造的方法比傳統(tǒng)的電沉積或光刻、電鑄和注塑(德文Lithographie(LI)、 Galanoformung(G)、Abformung(A)，LIGA)方法成本更低。

2.2心肺監(jiān)測(cè)可穿戴傳感器

鑒于監(jiān)測(cè)心肺功能的重要性，可穿戴是監(jiān)護(hù)設(shè)備成為近數(shù)十年來(lái)的研究目標(biāo)。其中包括測(cè)量反映心肺功能的基本生理指標(biāo)，如心電、血壓及呼吸等。其在小型化、微型化方面具有顯著改進(jìn)。歐盟“第五框架信息科技計(jì)劃”中的健康計(jì)劃，提出實(shí)現(xiàn)心電和呼吸等生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為用戶研究開(kāi)發(fā)穿在身上的織物傳感器，且不會(huì)帶來(lái)任何不適感。織物傳感器采用具有導(dǎo)電性和壓敏電阻特性的智能纖維和紗線編織而成。與常規(guī)方法相比，該系統(tǒng)具有很高的可靠性和滿意度，并且可以長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練或者更高強(qiáng)度的環(huán)境中。

Mitchell等[12]設(shè)計(jì)了1件T恤，嵌入織物壓敏電阻傳感器和Zigbee無(wú)線發(fā)射模塊，用于監(jiān)控呼吸，呼吸信號(hào)可實(shí)時(shí)顯示，結(jié)合無(wú)線生物反饋系統(tǒng)可以用作呼吸訓(xùn)練(治療呼吸道疾病，如囊性纖維化)。Rantala等[13]設(shè)計(jì)出用于監(jiān)測(cè)呼吸和潮氣量的光學(xué)傳感器，傳感器具有16根光纖，光強(qiáng)會(huì)隨著呼吸運(yùn)動(dòng)引起的光纖彎曲形變而發(fā)生變化，通過(guò)換算可以代表潮氣量。Fletcher等[14]使用光電體積傳感器用來(lái)探測(cè)脈搏振動(dòng)，結(jié)合研制的皮膚電傳感器測(cè)量手腕處的信號(hào)，可用來(lái)評(píng)估自主神經(jīng)的活動(dòng)。在傳輸方面提出了同時(shí)采用兩種類型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即內(nèi)部IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于為多個(gè)傳感器提供服務(wù)；另一個(gè)是使用藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)通訊。

關(guān)于血流動(dòng)力學(xué)檢測(cè)，移動(dòng)血壓監(jiān)護(hù)儀(ambulatory blood pressure monitor，ABPM)已成為商業(yè)化研究成果中最成功的案例之一。雖然這種設(shè)備非常方便實(shí)用，間隔30 min或者更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)測(cè)量一組血壓值。然而，該儀器測(cè)量的血壓數(shù)據(jù)量將＜48次。而由于人體每次心跳搏動(dòng)的差異，一日的血壓變化卻可能達(dá)80000～100000種，ABPM只能采集全部血壓數(shù)據(jù)的0.05%，不能完全滿足動(dòng)態(tài)采集的需要。因此，如何測(cè)量與心跳同步的血壓變化，同時(shí)采集心輸出量數(shù)據(jù)，并能結(jié)合其他心血管數(shù)據(jù)，將是非常重要的。通過(guò)詳細(xì)分析血液動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)，可以研究心血管系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)各種日常壓力時(shí)的自主調(diào)節(jié)能力。Nakagawara[15]基于體積補(bǔ)償法和心電導(dǎo)納法，開(kāi)發(fā)了與心跳同步的血壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；Ogawa等[16]已將該系統(tǒng)應(yīng)用于心血管應(yīng)激反應(yīng)研究，使用Gregg等[17]的方法分析日常活動(dòng)中單次心跳的變化，成功分離了主動(dòng)、被動(dòng)和混合壓力。

2.3生化檢測(cè)傳感器

迄今在移動(dòng)醫(yī)療領(lǐng)域中，人們研制了很多種類的可穿戴生理監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。然而，很少有監(jiān)測(cè)生化參數(shù)的傳感器。如能準(zhǔn)確、便捷的檢查生化參數(shù)，將為更好的監(jiān)測(cè)個(gè)體的健康情況乃至診斷疾病帶來(lái)可能。

Yang等[9]直接將生物傳感器印制在內(nèi)衣上，可以監(jiān)測(cè)微量的化學(xué)物質(zhì)，亞鐵氰化物(0～3 mmol/L)、過(guò)氧化氫(0～25 mmol/L)及還原輔酶NADH(0～100 mmol/L)。此外，“BIOTEX”的歐盟計(jì)劃[18]資助開(kāi)發(fā)了一種基于織物的可穿戴生物傳感器，用于監(jiān)測(cè)汗水的pH值和Na+含量。該傳感器由一個(gè)織物泵，一個(gè)pH值敏感染料和LED光電探測(cè)器組成，其中織物泵由超吸水材料制成，可不斷從人體皮膚吸入汗液，LED光電傳感器用來(lái)檢測(cè)由汗液內(nèi)溶質(zhì)含量改變而導(dǎo)致的pH敏感染料顏色變化。同時(shí)，還使用金電極和離子敏感膜制成Na+傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)汗液里Na+含量。

在生化檢測(cè)中，血糖測(cè)量對(duì)糖尿病患者是非常重要的，但現(xiàn)今的方法大部分都是有創(chuàng)的，需要在手指上針刺取血，采用光化學(xué)法或電化學(xué)法進(jìn)行檢測(cè)。在不需要血液樣本方法里，經(jīng)皮提取分析物質(zhì)是其中一種值得關(guān)注的方法，市場(chǎng)推出的一種血糖檢測(cè)裝置GlucoWatch Biographer即是采用離子滲透法。然而，這種方法也有對(duì)皮膚刺激較大之類的缺陷。因此，需求度最高的是開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量?jī)x器，如基于表面等離子體共振等光學(xué)技術(shù)、光聲測(cè)量、光學(xué)相干斷層掃描以及漫反射光譜法等。不同于需要復(fù)雜儀器的技術(shù)，近期開(kāi)發(fā)的一種采用分光光度測(cè)量技術(shù)的方法，命名為“脈沖血糖測(cè)量”，是基于高速近紅外光譜結(jié)合多變量分析的方法。雖然這種方法的微型化檢測(cè)儀器尚未研制出，但完全無(wú)創(chuàng)的血糖儀在糖尿病患者的日常監(jiān)護(hù)中有著廣泛的需求和前景。

2.4運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器

在老年醫(yī)學(xué)、康復(fù)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和常規(guī)醫(yī)療保健領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)或步態(tài)監(jiān)視的重要性受到廣泛認(rèn)可。在康復(fù)領(lǐng)域，醫(yī)師必須評(píng)估如站起、散步或其他活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征，直接觀察和定量評(píng)估的方法最為理想。以往的方法是使用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)進(jìn)行直接觀測(cè)，但這種方法往往具有一定的局限性，數(shù)據(jù)處理起來(lái)也較復(fù)雜，不大適合實(shí)際應(yīng)用。

一些可穿戴的設(shè)備使用加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器，能夠監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)、步態(tài)和姿勢(shì)；Motoi等[19]通過(guò)對(duì)矢狀平面、步態(tài)和步行速度的研究，可監(jiān)測(cè)人們姿勢(shì)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化。該系統(tǒng)使用加速度計(jì)和陀螺儀原理，并將三組微型傳感器分別固定在軀干、大腿和小腿上，通過(guò)測(cè)量相對(duì)與重力方向的角度變化分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。每組傳感器上都有Ziggbee無(wú)線通訊模塊和SD卡，保證實(shí)時(shí)觀測(cè)和長(zhǎng)時(shí)存儲(chǔ)。這套系統(tǒng)在定量評(píng)價(jià)康復(fù)計(jì)劃的效果和日常生活監(jiān)測(cè)方面都有很高的可行性。

Lee等[20]研究出運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的傳感系統(tǒng)，將三軸加速度計(jì)和導(dǎo)電織物電極嵌入襯衫中，可同時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)以及實(shí)時(shí)心電圖，并建立了基于IEEE 802.15.4和Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)。這種類型的傳感網(wǎng)絡(luò)配合傳感器的微型化改造，可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)采集。

3　展望

通過(guò)文獻(xiàn)評(píng)閱、調(diào)研國(guó)外近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，多功能集成化、無(wú)創(chuàng)化及微型化是移動(dòng)醫(yī)療中傳感器的發(fā)展方向；集成化創(chuàng)新，即將現(xiàn)有的種類的傳感器集成在同一可穿戴設(shè)備上是發(fā)展標(biāo)志，但集成成為重要課題，既要求并行工作，又不能相互干擾等。無(wú)創(chuàng)化主要針對(duì)生化檢驗(yàn)類傳感器，作為日常監(jiān)測(cè)使用人們對(duì)無(wú)創(chuàng)無(wú)痛的要求也越來(lái)越高，新技術(shù)、新算法的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。微型化的要求也是便攜性的要求，即隨時(shí)隨地都可以使用監(jiān)測(cè)，對(duì)日常生活不產(chǎn)生影響，既要求體積小、重量輕，也不能降低準(zhǔn)確性和精度。這些新思路對(duì)于我國(guó)的科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有借鑒意義。

移動(dòng)醫(yī)療的迅速發(fā)展，勢(shì)必將帶動(dòng)便攜式、多功能傳感器的發(fā)展，同時(shí)，更多創(chuàng)新性的傳感器及傳感系統(tǒng)將更大程度的促進(jìn)移動(dòng)醫(yī)療的發(fā)展，從而根本上轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的醫(yī)療服務(wù)模式，以患者為中心，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的健康監(jiān)護(hù)和健康管理服務(wù)[21]。

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The progress of biomedical sensors in M-Health

/WANG Chang-ling,SHEN Qian,LI Zhi,et al//China Medical Equipment,2016,13(3):139-142.

[Abstract]To find research and development direction of biomedical sensor in m-health,by understanding the research progress of biomedical sensor,conducting survey the latest domestic and abroad literatures research institute,universities and enterprises.Biomedical sensor obtained much more attention from many aspects,such as species,accuracy and applications,including electrophysiological,biochemical tests,cardiopulmonary monitoring,movement monitoring.The continual innovation and development of biomedical sensor laid a solid foundation for the rapid development of Mobile Health Care.Mobile Health Care is the development direction of modern health care,which owe to the rapid development of communication network,intelligent devices,and biomedical sensors.

[Key words]Mobile-health;Biomedical sensor;Ambulatory blood pressure;Electrode

收稿日期：2015-04-02

作者簡(jiǎn)介

*通訊作者：zhuxingxiph@aliyun.com

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(31300705)“單細(xì)胞測(cè)溫傳感器的構(gòu)建及用于細(xì)胞膜相變機(jī)制的研究”；江蘇省博士后基金(1301004A)“單細(xì)胞測(cè)溫傳感器用于細(xì)胞膜相變機(jī)制的研究”

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.03.042

[文章編號(hào)]1672-8270(2016)03-0139-04

[中圖分類號(hào)]R197.39

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A