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移动医疗中生物医学传感器与电极研究

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[摘要]

通过评阅国内外研究所、高校和企业的最新研究文献,分析生物医学传感器的研究进展,阐述移动医疗中传感器的研究和发展方向。生物医学传感器的不断创新和发展,从种类、精度及应用等各方面均获得高度关注,可总结归纳为电生理类、生化检测类、心肺监测类及运动监测类。移动医疗是现代医疗发展的必然趋势,移动医疗离不开通讯网络、智能终端以及生物医学传感器,其技术进步为移动医疗的迅猛发展奠定了基础。

[关键词]

移动医疗;生物医学传感器;电极;动态血压

随着移动通信技术的飞速发展,移动医疗产业正飞速发展。移动医疗是指通过移动通信技术、智能终端及便携式生物医学传感器技术的集成,提供方便快捷的生化检测、实时生命体征监测等移动远程医疗健康服务。并可集合临床医疗数据,为医务人员、研究人员和患者提供医疗信息服务。生物医学传感器分为电生理类、生化检测类、心肺监测类以及运动监测类。

1可移动与穿戴监测设备

1957年,Holter首先尝试在临床使用无线电遥测技术的心电图仪,并使用磁带记录,这正是现在24h心电图设备的原型[1]。在移动医疗方面,便携式产品成为了开发研究的重点。随着现代微电子和机械加工技术的发展,使得可以制作出家用型的更加紧凑和方便的设备,如生命体征监测腕表,具有动态血压、心率、血氧及呼吸等监测功能[2-7]。可移动穿戴监护系统,包括生物传感器,便携式数据处理、存储器,数据显示单元。生物传感器或电极可以是传统方式佩戴,也可以设计成嵌入衣服或紧贴皮肤。无线通讯技术的发展也使得各单元之间可通过无线蓝牙等技术连接,避免了使用繁杂的连接线。

2电生理类传感器及电极

2.1电生理测量的新型电极

通常测量心电图(electrocardiogram,ECG)、肌电图(electromyography,EMG)及脑电图(electroencephalogram,EEG)等电生理信号均采用电极直接与皮肤接触的方式,如何提高信噪比、稳定性、不刺激皮肤成为研究重点。临床上较常用的是湿式凝胶电极,而干式电极可以保证电极长期运动下的稳定性,其研究有了很大的进展,但干式电极的可靠性还有待进一步研究。电容型电极,可通过衣服采集ECG信号,由硬币大小的非接触式电容式生物电极和低功率放大器组成(940μW)。Prance等[8]使用电容型电极和一个超高阻抗电位传感器,输入电容10pF、输入电阻1015Ω,用来测量人体周围40cm范围内的电场,可以检测到与ECG同步的波形信号。虽然40cm空气间隙的测量效果比10cm空气间隙的噪声大许多,但仍可以获得较好的结果;并可以同时测量呼吸信号,尽管目前呼吸测量结果还不非常稳定,但此种真正意义上的非接触式传感器将成为电生理测量的新方法。易弯曲的干式表面电极,使用时可以不需要电解质凝胶,也不需要对测量表面进行预处理[9]。Gargiulo等[10]发明的导电橡胶电极和高输入阻抗的放大器,使用蓝牙通讯24h不间断的采集心电信号,可应用于塑身和游泳训练中及监护运动员健康,防止运动员猝死。新材料碳纳米管或微米线阵列电极,Ruffini等[11]通过真空铸造的方法研制出直径6μm、长110μm的微米线微阵列电极,这些微米线可以刺破表皮角质层,增加导电性。采用真空铸造的方法比传统的电沉积或光刻、电铸和注塑(德文Lithographie(LI)、Galanoformung(G)、Abformung(A),LIGA)方法成本更低。

2.2心肺监测可穿戴传感器

鉴于监测心肺功能的重要性,可穿戴是监护设备成为近数十年来的研究目标。其中包括测量反映心肺功能的基本生理指标,如心电、血压及呼吸等。其在小型化、微型化方面具有显著改进。欧盟“第五框架信息科技计划”中的健康计划,提出实现心电和呼吸等生命体征的实时监测。为用户研究开发穿在身上的织物传感器,且不会带来任何不适感。织物传感器采用具有导电性和压敏电阻特性的智能纤维和纱线编织而成。与常规方法相比,该系统具有很高的可靠性和满意度,并且可以长时间的应用于康复训练或者更高强度的环境中。Mitchell等[12]设计了1件T恤,嵌入织物压敏电阻传感器和Zigbee无线发射模块,用于监控呼吸,呼吸信号可实时显示,结合无线生物反馈系统可以用作呼吸训练(治疗呼吸道疾病,如囊性纤维化)。Rantala等[13]设计出用于监测呼吸和潮气量的光学传感器,传感器具有16根光纤,光强会随着呼吸运动引起的光纤弯曲形变而发生变化,通过换算可以代表潮气量。Fletcher等[14]使用光电体积传感器用来探测脉搏振动,结合研制的皮肤电传感器测量手腕处的信号,可用来评估自主神经的活动。在传输方面提出了同时采用两种类型的网络系统,即内部IEEE802.15.4网络系统,用于为多个传感器提供服务;另一个是使用蓝牙网络与手机通讯。关于血流动力学检测,移动血压监护仪(ambulatorybloodpressuremonitor,ABPM)已成为商业化研究成果中最成功的案例之一。虽然这种设备非常方便实用,间隔30min或者更长的时间来测量一组血压值。然而,该仪器测量的血压数据量将<48次。而由于人体每次心跳搏动的差异,一日的血压变化却可能达80000~100000种,ABPM只能采集全部血压数据的0.05%,不能完全满足动态采集的需要。因此,如何测量与心跳同步的血压变化,同时采集心输出量数据,并能结合其他心血管数据,将是非常重要的。通过详细分析血液动力学的响应,可以研究心血管系统在应对各种日常压力时的自主调节能力。Nakagawara[15]基于体积补偿法和心电导纳法,开发了与心跳同步的血压动态监测系统;Ogawa等[16]已将该系统应用于心血管应激反应研究,使用Gregg等[17]的方法分析日常活动中单次心跳的变化,成功分离了主动、被动和混合压力。

2.3生化检测传感器

迄今在移动医疗领域中,人们研制了很多种类的可穿戴生理监测的系统。然而,很少有监测生化参数的传感器。如能准确、便捷的检查生化参数,将为更好的监测个体的健康情况乃至诊断疾病带来可能。Yang等[9]直接将生物传感器印制在内衣上,可以监测微量的化学物质,亚铁氰化物(0~3mmol/L)、过氧化氢(0~25mmol/L)及还原辅酶NADH(0~100mmol/L)。此外,“BIOTEX”的欧盟计划[18]资助开发了一种基于织物的可穿戴生物传感器,用于监测汗水的pH值和Na+含量。该传感器由一个织物泵,一个pH值敏感染料和LED光电探测器组成,其中织物泵由超吸水材料制成,可不断从人体皮肤吸入汗液,LED光电传感器用来检测由汗液内溶质含量改变而导致的pH敏感染料颜色变化。同时,还使用金电极和离子敏感膜制成Na+传感器来监测汗液里Na+含量。在生化检测中,血糖测量对糖尿病患者是非常重要的,但现今的方法大部分都是有创的,需要在手指上针刺取血,采用光化学法或电化学法进行检测。在不需要血液样本方法里,经皮提取分析物质是其中一种值得关注的方法,市场推出的一种血糖检测装置GlucoWatchBiographer即是采用离子渗透法。然而,这种方法也有对皮肤刺激较大之类的缺陷。因此,需求度最高的是开发无创血糖测量仪器,如基于表面等离子体共振等光学技术、光声测量、光学相干断层扫描以及漫反射光谱法等。不同于需要复杂仪器的技术,近期开发的一种采用分光光度测量技术的方法,命名为“脉冲血糖测量”,是基于高速近红外光谱结合多变量分析的方法。虽然这种方法的微型化检测仪器尚未研制出,但完全无创的血糖仪在糖尿病患者的日常监护中有着广泛的需求和前景。

2.4运动监测传感器

在老年医学、康复、运动训练和常规医疗保健领域,运动或步态监视的重要性受到广泛认可。在康复领域,医师必须评估如站起、散步或其他活动的运动特征,直接观察和定量评估的方法最为理想。以往的方法是使用三维运动捕捉系统进行直接观测,但这种方法往往具有一定的局限性,数据处理起来也较复杂,不大适合实际应用。一些可穿戴的设备使用加速度计、陀螺仪等传感器,能够监测运动、步态和姿势;Motoi等[19]通过对矢状平面、步态和步行速度的研究,可监测人们姿势的静态和动态变化。该系统使用加速度计和陀螺仪原理,并将三组微型传感器分别固定在躯干、大腿和小腿上,通过测量相对与重力方向的角度变化分析运动状态。每组传感器上都有Ziggbee无线通讯模块和SD卡,保证实时观测和长时存储。这套系统在定量评价康复计划的效果和日常生活监测方面都有很高的可行性。Lee等[20]研究出运动训练的传感系统,将三轴加速度计和导电织物电极嵌入衬衫中,可同时监测运动以及实时心电图,并建立了基于IEEE802.15.4和Zigbee传感网络。这种类型的传感网络配合传感器的微型化改造,可以实现多种数据采集。

3展望

通过文献评阅、调研国外近年来生物医学传感器的研究进展发现,多功能集成化、无创化及微型化是移动医疗中传感器的发展方向;集成化创新,即将现有的种类的传感器集成在同一可穿戴设备上是发展标志,但集成成为重要课题,既要求并行工作,又不能相互干扰等。无创化主要针对生化检验类传感器,作为日常监测使用人们对无创无痛的要求也越来越高,新技术、新算法的发展为实现这一目标奠定了基础。微型化的要求也是便携性的要求,即随时随地都可以使用监测,对日常生活不产生影响,既要求体积小、重量轻,也不能降低准确性和精度。这些新思路对于我国的科研和产业发展具有借鉴意义。移动医疗的迅速发展,势必将带动便携式、多功能传感器的发展,同时,更多创新性的传感器及传感系统将更大程度的促进移动医疗的发展,从而根本上转变现有的医疗服务模式,以患者为中心,实现随时随地的健康监护和健康管理服务[21]。

参考文献

龚渝顺,吴宝明,高丹丹,等.一种抗干扰穿戴式血氧饱和度监测仪的研制[J].传感技术学报,2012,25(1):6-10.

郭维.穿戴式人体生理参数监测系统的研究与实现[D].吉林:吉林大学,2012.

刘光达,郭维,李肃义,等.穿戴式人体参数连续监测系统[J].吉林大学学报:工学版,2011,41(3):771-775.

王子洪,吴宝明,银健,等.具有人体活动情景辨识的穿戴式心电监测仪的研制[J].生物医学工程学杂志,2012,29(5):941-947.

张云浦,李玉榕,陈建国,等.基于MEMS传感器的可穿戴式老年人跌倒监测系统的设计[J].生物医学工程研究,2014,33(3):170-175.

张政波,俞梦孙,赵显亮,等.多参数协同监测系统设计[J].航天医学与医学工程,2008,21(1):66-69

作者:汪长岭 申倩 李治 沈华强 朱兴喜 单位:南京军区南京总医院医学工程科

移动医疗中生物医学传感器与电极研究责任编辑:沈应婷    阅读:人次