移動醫療中生物醫學傳感器與電極研究范文

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[摘要]

通過評閱國內外研究所、高校和企業的最新研究文獻，分析生物醫學傳感器的研究進展，闡述移動醫療中傳感器的研究和發展方向。生物醫學傳感器的不斷創新和發展，從種類、精度及應用等各方面均獲得高度關注，可總結歸納為電生理類、生化檢測類、心肺監測類及運動監測類。移動醫療是現代醫療發展的必然趨勢，移動醫療離不開通訊網絡、智能終端以及生物醫學傳感器，其技術進步為移動醫療的迅猛發展奠定了基礎。

[關鍵詞]

移動醫療；生物醫學傳感器；電極；動態血壓

隨著移動通信技術的飛速發展，移動醫療產業正飛速發展。移動醫療是指通過移動通信技術、智能終端及便攜式生物醫學傳感器技術的集成，提供方便快捷的生化檢測、實時生命體征監測等移動遠程醫療健康服務。并可集合臨床醫療數據，為醫務人員、研究人員和患者提供醫療信息服務。生物醫學傳感器分為電生理類、生化檢測類、心肺監測類以及運動監測類。

1可移動與穿戴監測設備

1957年，Holter首先嘗試在臨床使用無線電遙測技術的心電圖儀，并使用磁帶記錄，這正是現在24h心電圖設備的原型[1]。在移動醫療方面，便攜式產品成為了開發研究的重點。隨著現代微電子和機械加工技術的發展，使得可以制作出家用型的更加緊湊和方便的設備，如生命體征監測腕表，具有動態血壓、心率、血氧及呼吸等監測功能[2-7]。可移動穿戴監護系統，包括生物傳感器，便攜式數據處理、存儲器，數據顯示單元。生物傳感器或電極可以是傳統方式佩戴，也可以設計成嵌入衣服或緊貼皮膚。無線通訊技術的發展也使得各單元之間可通過無線藍牙等技術連接，避免了使用繁雜的連接線。

2電生理類傳感器及電極

2.1電生理測量的新型電極

通常測量心電圖(electrocardiogram，ECG)、肌電圖(electromyography，EMG)及腦電圖(electroencephalogram，EEG)等電生理信號均采用電極直接與皮膚接觸的方式，如何提高信噪比、穩定性、不刺激皮膚成為研究重點。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期運動下的穩定性，其研究有了很大的進展，但干式電極的可靠性還有待進一步研究。電容型電極，可通過衣服采集ECG信號，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(940μW)。Prance等[8]使用電容型電極和一個超高阻抗電位傳感器，輸入電容10pF、輸入電阻1015Ω，用來測量人體周圍40cm范圍內的電場，可以檢測到與ECG同步的波形信號。雖然40cm空氣間隙的測量效果比10cm空氣間隙的噪聲大許多，但仍可以獲得較好的結果；并可以同時測量呼吸信號，盡管目前呼吸測量結果還不非常穩定，但此種真正意義上的非接觸式傳感器將成為電生理測量的新方法。易彎曲的干式表面電極，使用時可以不需要電解質凝膠，也不需要對測量表面進行預處理[9]。Gargiulo等[10]發明的導電橡膠電極和高輸入阻抗的放大器，使用藍牙通訊24h不間斷的采集心電信號，可應用于塑身和游泳訓練中及監護運動員健康，防止運動員猝死。新材料碳納米管或微米線陣列電極，Ruffini等[11]通過真空鑄造的方法研制出直徑6μm、長110μm的微米線微陣列電極，這些微米線可以刺破表皮角質層，增加導電性。采用真空鑄造的方法比傳統的電沉積或光刻、電鑄和注塑(德文Lithographie(LI)、Galanoformung(G)、Abformung(A)，LIGA)方法成本更低。

2.2心肺監測可穿戴傳感器

鑒于監測心肺功能的重要性，可穿戴是監護設備成為近數十年來的研究目標。其中包括測量反映心肺功能的基本生理指標，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。歐盟“第五框架信息科技計劃”中的健康計劃，提出實現心電和呼吸等生命體征的實時監測。為用戶研究開發穿在身上的織物傳感器，且不會帶來任何不適感。織物傳感器采用具有導電性和壓敏電阻特性的智能纖維和紗線編織而成。與常規方法相比，該系統具有很高的可靠性和滿意度，并且可以長時間的應用于康復訓練或者更高強度的環境中。Mitchell等[12]設計了1件T恤，嵌入織物壓敏電阻傳感器和Zigbee無線發射模塊，用于監控呼吸，呼吸信號可實時顯示，結合無線生物反饋系統可以用作呼吸訓練(治療呼吸道疾病，如囊性纖維化)。Rantala等[13]設計出用于監測呼吸和潮氣量的光學傳感器，傳感器具有16根光纖，光強會隨著呼吸運動引起的光纖彎曲形變而發生變化，通過換算可以代表潮氣量。Fletcher等[14]使用光電體積傳感器用來探測脈搏振動，結合研制的皮膚電傳感器測量手腕處的信號，可用來評估自主神經的活動。在傳輸方面提出了同時采用兩種類型的網絡系統，即內部IEEE802.15.4網絡系統，用于為多個傳感器提供服務；另一個是使用藍牙網絡與手機通訊。關于血流動力學檢測，移動血壓監護儀(ambulatorybloodpressuremonitor，ABPM)已成為商業化研究成果中最成功的案例之一。雖然這種設備非常方便實用，間隔30min或者更長的時間來測量一組血壓值。然而，該儀器測量的血壓數據量將<48次。而由于人體每次心跳搏動的差異，一日的血壓變化卻可能達80000～100000種，ABPM只能采集全部血壓數據的0.05%，不能完全滿足動態采集的需要。因此，如何測量與心跳同步的血壓變化，同時采集心輸出量數據，并能結合其他心血管數據，將是非常重要的。通過詳細分析血液動力學的響應，可以研究心血管系統在應對各種日常壓力時的自主調節能力。Nakagawara[15]基于體積補償法和心電導納法，開發了與心跳同步的血壓動態監測系統；Ogawa等[16]已將該系統應用于心血管應激反應研究，使用Gregg等[17]的方法分析日常活動中單次心跳的變化，成功分離了主動、被動和混合壓力。

2.3生化檢測傳感器

迄今在移動醫療領域中，人們研制了很多種類的可穿戴生理監測的系統。然而，很少有監測生化參數的傳感器。如能準確、便捷的檢查生化參數，將為更好的監測個體的健康情況乃至診斷疾病帶來可能。Yang等[9]直接將生物傳感器印制在內衣上，可以監測微量的化學物質，亞鐵氰化物(0～3mmol/L)、過氧化氫(0～25mmol/L)及還原輔酶NADH(0～100mmol/L)。此外，“BIOTEX”的歐盟計劃[18]資助開發了一種基于織物的可穿戴生物傳感器，用于監測汗水的pH值和Na+含量。該傳感器由一個織物泵，一個pH值敏感染料和LED光電探測器組成，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光電傳感器用來檢測由汗液內溶質含量改變而導致的pH敏感染料顏色變化。同時，還使用金電極和離子敏感膜制成Na+傳感器來監測汗液里Na+含量。在生化檢測中，血糖測量對糖尿病患者是非常重要的，但現今的方法大部分都是有創的，需要在手指上針刺取血，采用光化學法或電化學法進行檢測。在不需要血液樣本方法里，經皮提取分析物質是其中一種值得關注的方法，市場推出的一種血糖檢測裝置GlucoWatchBiographer即是采用離子滲透法。然而，這種方法也有對皮膚刺激較大之類的缺陷。因此，需求度最高的是開發無創血糖測量儀器，如基于表面等離子體共振等光學技術、光聲測量、光學相干斷層掃描以及漫反射光譜法等。不同于需要復雜儀器的技術，近期開發的一種采用分光光度測量技術的方法，命名為“脈沖血糖測量”，是基于高速近紅外光譜結合多變量分析的方法。雖然這種方法的微型化檢測儀器尚未研制出，但完全無創的血糖儀在糖尿病患者的日常監護中有著廣泛的需求和前景。

2.4運動監測傳感器

在老年醫學、康復、運動訓練和常規醫療保健領域，運動或步態監視的重要性受到廣泛認可。在康復領域，醫師必須評估如站起、散步或其他活動的運動特征，直接觀察和定量評估的方法最為理想。以往的方法是使用三維運動捕捉系統進行直接觀測，但這種方法往往具有一定的局限性，數據處理起來也較復雜，不大適合實際應用。一些可穿戴的設備使用加速度計、陀螺儀等傳感器，能夠監測運動、步態和姿勢；Motoi等[19]通過對矢狀平面、步態和步行速度的研究，可監測人們姿勢的靜態和動態變化。該系統使用加速度計和陀螺儀原理，并將三組微型傳感器分別固定在軀干、大腿和小腿上，通過測量相對與重力方向的角度變化分析運動狀態。每組傳感器上都有Ziggbee無線通訊模塊和SD卡，保證實時觀測和長時存儲。這套系統在定量評價康復計劃的效果和日常生活監測方面都有很高的可行性。Lee等[20]研究出運動訓練的傳感系統，將三軸加速度計和導電織物電極嵌入襯衫中，可同時監測運動以及實時心電圖，并建立了基于IEEE802.15.4和Zigbee傳感網絡。這種類型的傳感網絡配合傳感器的微型化改造，可以實現多種數據采集。

3展望

通過文獻評閱、調研國外近年來生物醫學傳感器的研究進展發現，多功能集成化、無創化及微型化是移動醫療中傳感器的發展方向；集成化創新，即將現有的種類的傳感器集成在同一可穿戴設備上是發展標志，但集成成為重要課題，既要求并行工作，又不能相互干擾等。無創化主要針對生化檢驗類傳感器，作為日常監測使用人們對無創無痛的要求也越來越高，新技術、新算法的發展為實現這一目標奠定了基礎。微型化的要求也是便攜性的要求，即隨時隨地都可以使用監測，對日常生活不產生影響，既要求體積小、重量輕，也不能降低準確性和精度。這些新思路對于我國的科研和產業發展具有借鑒意義。移動醫療的迅速發展，勢必將帶動便攜式、多功能傳感器的發展，同時，更多創新性的傳感器及傳感系統將更大程度的促進移動醫療的發展，從而根本上轉變現有的醫療服務模式，以患者為中心，實現隨時隨地的健康監護和健康管理服務[21]。

參考文獻

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作者：汪長嶺 申倩 李治 沈華強 朱興喜 單位：南京軍區南京總醫院醫學工程科