醫(yī)用可穿戴柔性電子設(shè)備質(zhì)控技術(shù)研究

王權(quán)，李佳戈，郝燁

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

引言

柔性電子技術(shù)是將有機(jī)或無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性或可延展基板上的新興電子技術(shù)。柔性電子技術(shù)確保了產(chǎn)品良好的貼合性、穩(wěn)定性，即便在惡劣的條件下依然能夠采集到較高質(zhì)量的信號(hào)。柔性電子技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。早期的柔性電子技術(shù)應(yīng)用于顯示領(lǐng)域，但當(dāng)時(shí)的柔性電子技術(shù)并未形成體系[1]。2000年，柔性技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域獲得了廣泛的研究，如有研究機(jī)構(gòu)已研制出柔性醫(yī)學(xué)采集設(shè)備或測(cè)量設(shè)備，這些設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本的預(yù)期功能，如溫度監(jiān)測(cè)，但是受限于材料學(xué)和傳感器技術(shù)的發(fā)展水平，當(dāng)時(shí)的柔性設(shè)備的靈活性和柔韌性還不能夠及時(shí)響應(yīng)人體日常肢體形變帶來(lái)的信號(hào)變化，即尚未達(dá)到醫(yī)療領(lǐng)域的精度要求[2]。隨著材料科學(xué)、傳感器以及機(jī)械加工領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，目前柔性技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)系統(tǒng)多樣的知識(shí)體系，并廣泛應(yīng)用于以主動(dòng)健康、精準(zhǔn)醫(yī)療為特點(diǎn)的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并以輕質(zhì)、便攜、靈活形變的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于可穿戴、可植入的醫(yī)療設(shè)備[3-4]。柔性技術(shù)的發(fā)展使我們對(duì)人類(lèi)生命健康狀況的檢測(cè)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)生命體征參數(shù)，可以更準(zhǔn)確便捷地判斷人體的健康程度。

柔性技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用大致可以分為2個(gè)類(lèi)別：監(jiān)測(cè)和治療。監(jiān)測(cè)應(yīng)用主要是指對(duì)生理指標(biāo)、生理電信號(hào)和生物化學(xué)信號(hào)等與人體相關(guān)的健康指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。其中健康指標(biāo)包括：體溫[5]、血氧[6-7]、血壓[8]、心電[9-11]、腦電[12-13]、電化學(xué)指標(biāo)[14]等，如采用柔性電極穿戴在體表進(jìn)行胎心監(jiān)護(hù)的柔性胎心儀[15]。除了監(jiān)測(cè)健康狀況，柔性技術(shù)還廣泛應(yīng)用于電刺激等治療設(shè)備中，如基于電刺激反饋進(jìn)行控制的義肢[16]，透皮傳輸?shù)纳窠?jīng)刺激線圈[17]等。隨著柔性電子產(chǎn)品的不斷迭代以及算法的優(yōu)化，以溫度貼、多參數(shù)監(jiān)測(cè)手表、植入式柔性設(shè)備等產(chǎn)品為代表的一系列新型醫(yī)療器械逐漸應(yīng)用于臨床。柔性技術(shù)在可穿戴領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，伴隨著老齡化社會(huì)發(fā)展、亞健康人群增加的趨勢(shì)，將進(jìn)一步推進(jìn)可穿戴設(shè)備及柔性技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展[18-22]。通過(guò)調(diào)研，我國(guó)具有注冊(cè)證的可穿戴或柔性電子產(chǎn)品如表1所示。

表1 我國(guó)具有注冊(cè)證的可穿戴柔性電子產(chǎn)品

可穿戴柔性電子進(jìn)一步保障了人們的健康，一定程度上改變和優(yōu)化了人們的生活方式，但是由于可穿戴柔性電子技術(shù)的創(chuàng)新性，其配套的產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，目前對(duì)可穿戴柔性電子的質(zhì)控評(píng)價(jià)體系還需進(jìn)一步完善[23-25]?；诳纱┐魅嵝噪娮哟蠖鄳?yīng)用于生理信號(hào)采集或者電刺激的這一特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)的主要國(guó)行標(biāo)適用于可穿戴柔性電子的標(biāo)準(zhǔn)以通標(biāo)和電生理/電刺激類(lèi)的性能標(biāo)準(zhǔn)為主[26-30]，見(jiàn)表2。

表2 可穿戴柔性電子設(shè)備適用標(biāo)準(zhǔn)舉例

本文針對(duì)柔性可穿戴產(chǎn)品的質(zhì)控工作，通過(guò)分析風(fēng)險(xiǎn)、搭建測(cè)試平臺(tái)、提出改進(jìn)思路等，旨在為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)可靠的質(zhì)控評(píng)測(cè)方案建議。

1 風(fēng)險(xiǎn)分析

可穿戴柔性電子產(chǎn)品相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)，如尺寸小、重量輕、與人體組織貼合性好等，但同時(shí)，其具有的技術(shù)特點(diǎn)也不可避免地將引入材料穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)可靠性等新風(fēng)險(xiǎn)，如果不做好這方面的風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)控評(píng)價(jià)，很容易產(chǎn)生傳感器失靈、設(shè)備故障等問(wèn)題，直接影響器械本身的整體質(zhì)量和使用效果。

此類(lèi)產(chǎn)品引入的風(fēng)險(xiǎn)主要包括3個(gè)方面。首先是機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)。柔性電子器件在可穿戴醫(yī)療上的應(yīng)用，其主要優(yōu)勢(shì)是新型復(fù)合材料柔軟貼合的物理特性，能更好地適應(yīng)人體軟組織的形態(tài)變化。這一柔軟可延展的電子特性替代了原有的硬性電路板結(jié)構(gòu)，在帶來(lái)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了復(fù)雜形變可能引入的新風(fēng)險(xiǎn)。例如，大范圍彎曲扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的斷裂風(fēng)險(xiǎn)等。

其次是電學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。電學(xué)性能是柔性電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)臨床功能的基本性能，也是質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)?？紤]到使用環(huán)境復(fù)雜可能導(dǎo)致增加機(jī)械形變的可能性，進(jìn)而增大電學(xué)性能失效的風(fēng)險(xiǎn)；可穿戴設(shè)備由于長(zhǎng)期與人體接觸，人體組織的汗液、血液等會(huì)對(duì)電子設(shè)備特別是柔性電子設(shè)備造成侵蝕，進(jìn)而帶來(lái)漏電等電學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。另外，考慮可穿戴設(shè)備尺寸有限，因此微小傳感器和電極使用廣泛，電極尺寸可達(dá)到微米級(jí)別，增加了電學(xué)評(píng)價(jià)的難度。

最后，可穿戴柔性電子設(shè)備作為一類(lèi)使用環(huán)境復(fù)雜、與人體長(zhǎng)期接觸的特殊類(lèi)醫(yī)療器械，還有一些重要的風(fēng)險(xiǎn)不可忽略，如生物相容性評(píng)價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的重要一環(huán)。作為制造商，除了考慮對(duì)成品的生物學(xué)評(píng)價(jià)，更應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)階段的材料、結(jié)構(gòu)分析，避免產(chǎn)生生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)；考慮到產(chǎn)品除了應(yīng)用在醫(yī)院環(huán)境，還可能應(yīng)用在家庭、社區(qū)等醫(yī)院外場(chǎng)合，電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)和可用性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也是不可缺少的，一般應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段和成品階段分別開(kāi)展對(duì)應(yīng)的可用性評(píng)價(jià)。在電磁兼容評(píng)價(jià)中，也要參考產(chǎn)品的臨床使用條件確立對(duì)應(yīng)的基本性能并開(kāi)展符合性驗(yàn)證。

2 質(zhì)量評(píng)價(jià)

考慮到柔性電子器件可以在多種應(yīng)用場(chǎng)景下使用，為了針對(duì)這種新型電子器件開(kāi)展全面、完整的多場(chǎng)景下質(zhì)量評(píng)價(jià)，必須建立符合產(chǎn)品特性的機(jī)械性能、電學(xué)性能測(cè)試方案。

2.1 機(jī)械性能評(píng)價(jià)

為了更貼合使用表面，柔性電子器件不同于普通產(chǎn)品，在柔性和可拉伸性方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。這一特性一方面讓柔性產(chǎn)品更加貼合體表，輕便舒適；另一方面也帶來(lái)了彎折和斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)柔性器件的彎折、拉伸、扭轉(zhuǎn)等機(jī)械形變進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要意義[31-33]。傳統(tǒng)的機(jī)械檢測(cè)裝置通常只能提供單一的測(cè)試方法，如單一的振動(dòng)、拉伸、彎曲測(cè)試等。針對(duì)柔性器件應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大以及因此導(dǎo)致的各種可能出現(xiàn)的機(jī)械形變，需要進(jìn)行多種類(lèi)型的機(jī)械試驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)全面可靠的評(píng)價(jià)，需要開(kāi)發(fā)必要的機(jī)械測(cè)試工裝。以人工視網(wǎng)膜產(chǎn)品為例，此類(lèi)產(chǎn)品通過(guò)采用柔性電極刺激視神經(jīng)的方法幫助患者重新獲得基本視覺(jué)。人工視網(wǎng)膜產(chǎn)品一般包括圖像處理系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及微電極刺激器等。其中，微電極刺激器是核心部件，兼具了柔性器件和微型器件的特點(diǎn)，使用環(huán)境面臨的機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)包括手術(shù)中的拉伸彎曲。為了對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，必須搭建可用的機(jī)械試驗(yàn)平臺(tái)（圖1）。

圖1 柔性電極機(jī)械實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

通過(guò)圖1中該平臺(tái)的多軸聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)柔性電極的拉伸、彎曲或組合機(jī)械性能評(píng)價(jià)?？紤]到人工視網(wǎng)膜這類(lèi)產(chǎn)品的特殊性，其機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)主要源于手術(shù)植入過(guò)程中不可避免需要進(jìn)行多次拉伸扭轉(zhuǎn)，以便將產(chǎn)品固定到位。這其中主要的2個(gè)失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是電極部分和線圈部分。以彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)為例，首先針對(duì)上述2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)研已上市同類(lèi)產(chǎn)品的手術(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析手術(shù)影像，統(tǒng)計(jì)出平均每臺(tái)手術(shù)線圈彎折次數(shù)≤20次，彎折幅度＜30°，電極的彎曲次數(shù)約500次，彎折幅度＜30°，其中30°為電極和線圈處硅膠材料的自然狀態(tài)下最大彎曲角度。故據(jù)此針對(duì)不同部位設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的抗彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)條件如下：線圈彎曲50次，幅度30°，電極彎曲1000次，幅度30°，在該疲勞條件下試驗(yàn)后的產(chǎn)品應(yīng)能保證正常的工作狀態(tài)。產(chǎn)品成品在該條件試驗(yàn)后，產(chǎn)品可以保持之前的工作狀態(tài)。產(chǎn)品的工作狀態(tài)確認(rèn)分為2個(gè)部分進(jìn)行，首先在顯微鏡下檢查電極和線圈的外觀，狀態(tài)良好，未出現(xiàn)斷裂；其次，通過(guò)電學(xué)導(dǎo)通測(cè)試，可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的導(dǎo)通狀況良好。

2.2 電學(xué)性能評(píng)價(jià)

醫(yī)療器械的有效性評(píng)價(jià)關(guān)注被評(píng)價(jià)器械在正常使用時(shí)是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期目的。對(duì)于采用柔性電子技術(shù)的可穿戴有源醫(yī)療器械的有效性評(píng)價(jià)，主要是根據(jù)其設(shè)計(jì)的預(yù)期用途，對(duì)其電學(xué)性能等進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[34-37]。

傳統(tǒng)有源醫(yī)療器械大多采用金屬和半導(dǎo)體材料進(jìn)行電信號(hào)傳導(dǎo)，這類(lèi)材料一般硬度較大且尺寸偏大，不適合應(yīng)用在長(zhǎng)期的可穿戴的場(chǎng)景中。柔性電子技術(shù)具有柔軟且可導(dǎo)電特點(diǎn)，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)合適的尺寸和形狀，更方便實(shí)現(xiàn)與人體組織的緊密貼合，適合應(yīng)用于長(zhǎng)期性的可穿戴設(shè)備。但是這類(lèi)新技術(shù)的應(yīng)用，為電學(xué)評(píng)價(jià)帶來(lái)了一些新的挑戰(zhàn)，如對(duì)于柔性微小器件，普通導(dǎo)線連接很難實(shí)現(xiàn)，如何搭建測(cè)量電路成為難點(diǎn)；可穿戴設(shè)備大多采用Wi-Fi、4G等無(wú)線傳輸方式完成數(shù)據(jù)交換和功能實(shí)現(xiàn)，還需要考慮針對(duì)無(wú)線傳輸補(bǔ)充開(kāi)展評(píng)價(jià)和質(zhì)控[38-41]。

以人工視網(wǎng)膜產(chǎn)品為例，人工視網(wǎng)膜產(chǎn)品是利用微小電極刺激視神經(jīng)補(bǔ)償視覺(jué)功能的一類(lèi)設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備的柔性結(jié)構(gòu)可以緊密貼合人體器官，電極尺寸在微米級(jí)別，電極個(gè)數(shù)在幾十至上百個(gè)。這類(lèi)產(chǎn)品的電學(xué)評(píng)價(jià)無(wú)法采用直接電路板方式進(jìn)行，同時(shí)考慮電極的分布和結(jié)構(gòu)比較特殊，無(wú)法采用通用接口電路，在實(shí)際檢測(cè)中可通過(guò)定制的高密度導(dǎo)通電路以及電化學(xué)方式開(kāi)展電學(xué)質(zhì)控，此外還需要開(kāi)展針對(duì)Wi-Fi等無(wú)線通信技術(shù)信號(hào)傳遞有效性的評(píng)價(jià)。人工視網(wǎng)膜電學(xué)性能評(píng)價(jià)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 人工視網(wǎng)膜電學(xué)性能評(píng)價(jià)平臺(tái)

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，除了應(yīng)考慮可穿戴設(shè)備接口需要特制工裝的特殊性之外，還需要根據(jù)實(shí)際臨床使用環(huán)境來(lái)確認(rèn)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)條件。以導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)為例，建議選擇廠家確定的臨床典型電流值和頻率值作為產(chǎn)品的測(cè)試條件，導(dǎo)通測(cè)試也應(yīng)最少進(jìn)行3次，以降低實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)性誤差。而在無(wú)線傳輸實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榱吮M可能貼近真實(shí)使用環(huán)境，應(yīng)將被測(cè)電極放置于0.9%氧化鈉溶液中模擬人體組織液環(huán)境，同時(shí)根據(jù)臨床應(yīng)用中發(fā)射器與接收線圈之間的位置關(guān)系確立相對(duì)位置，在盡可能接近實(shí)際使用條件的前提下評(píng)價(jià)產(chǎn)品的無(wú)線傳輸特性。根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)工作的經(jīng)驗(yàn)，這種接近臨床的實(shí)驗(yàn)條件才能更準(zhǔn)確反映出產(chǎn)品的真實(shí)性能。

綜上所述，對(duì)于沒(méi)有具體性能標(biāo)準(zhǔn)可供參考的可穿戴設(shè)備，質(zhì)量評(píng)價(jià)工作一方面要從風(fēng)險(xiǎn)分析的角度全面考量使用環(huán)境可能引入的電學(xué)、機(jī)械、生物學(xué)、電磁兼容、可用性等風(fēng)險(xiǎn)；另一方面要根據(jù)臨床的具體使用條件確立實(shí)驗(yàn)條件，以完成對(duì)這類(lèi)設(shè)備全面、準(zhǔn)確的質(zhì)量評(píng)價(jià)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能反映產(chǎn)品的真實(shí)性能。

3 總結(jié)

我國(guó)的可穿戴柔性電子器械并無(wú)成形的檢測(cè)裝置和標(biāo)準(zhǔn)體系，質(zhì)量評(píng)價(jià)工作起步較晚，但是作為一種廣泛應(yīng)用于主動(dòng)健康領(lǐng)域的新型有源醫(yī)療器械，可穿戴柔性電子產(chǎn)品又展現(xiàn)出了不可替代的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。隨著行業(yè)需求的日益增長(zhǎng)，目前大量的可穿戴柔性電子產(chǎn)品出現(xiàn)，對(duì)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)工作提出了挑戰(zhàn)。本文針對(duì)可穿戴柔性電子產(chǎn)品介紹了目前的質(zhì)控情況，結(jié)合此類(lèi)產(chǎn)品特性及臨床需求，分析容易出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，提出針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的質(zhì)量評(píng)價(jià)建議。為今后該類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)提供了一定的思路，也為更好地開(kāi)展質(zhì)量評(píng)價(jià)工作提供了參考。