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可穿戴医疗监护服装研究现状与发展趋势

2019.12.04 来源: 浏览:1次

  摘要:可穿戴医疗监护服装可低负荷、长期连续地获取丰富的人体生理信息,从而达到疾病提前预防及治疗的目的。综述了医疗监护服装系统构成、监护服装设计等方面的研究现状;介绍了医疗监护服装系统的核心技术 穿戴式人体生理信号检测技术、传感技术、电子器件与服装连接技术、信号处理及系统通讯等技术,并分析了其医学应用;总结及预测了可穿戴医疗监护服装在设计研究和应用中还有待解决的问题,并展望了其发展前景。

  随着社会的发展,老龄化成为一个全球性的问题,由此而带来的老年医疗健康问题,成为社会关注的重点,这些疾病随着人们生活方式的改变、环境的影响、专业医疗服务能力的相对薄弱而变愈加严重。这就势必要求未来的医疗从医院诊疗向健康监护预防转变。医疗模式从诊断治疗向日常监护转变的同时将促使小型医疗监护设备的出现,这些监护设备具有日常家庭使用的特点,即可穿戴医疗监护设备( Wearable Medical Devices) 或称为便携式医疗设备( Portable Medical Devices)。

  穿戴式医疗监护设备是指将医疗监测系统集成在可穿戴系统上,即主要通过服装及其附件而依附在人体上,既能实现穿戴物品的日常使用功能,又能实现人体生理信号的监测,从而达到生理信息监护与人体日常穿戴衣物、附件的无缝整合。多个研究小组通过将人体生理信号采集传感器或者电极整合在可穿戴物件上,如衣服、腰带、手表、手环、项链等,以获取人体心电、呼吸、体温、血压、血氧、人体运动状态等重要生理参数。而衣服作为与人体接触最为密切的媒介,具有多个优势,譬如舒适、轻薄、移动性好、不具有视觉、接触以及心理的排斥感,而且是日常必备物件,具有低生理、心理负荷的特点,是实现人体信号采集的最佳平台。其大面积与人体接触的特点也为获取丰富的人体生理参数提供了可能。同时,其数据采集模式不会影响穿着者的日常活动,能够实现连续监测,所以,服装已成为可穿戴医疗监护设备的最佳载体之一。2014 年美国消费电子展( CES) 上,可穿戴医疗产品成为本届大会主角之一,众多企业展示自己的最新产品。据预计,到2018 年该市场规模将增长 倍。医疗健康领域呈现 大亮点: 用于健身的; 社区家庭养老技术; 实时监测技术。这些技术可帮助解决人口老龄化带来的各种问题,促进健康医疗向以消费者为中心的数字化转型。

  1 穿戴医疗系统及发展现状

  通讯技术、电子技术、计算机技术、传感技术、电源系统、存储技术以及材料技术的迅猛发展为可穿戴家庭及个人医疗监护系统( Wearble Health Monitoring Systems) 的发展提供了诸多可能,也成为国内外研究小组的研究热点。

  穿戴式人体生理参数监测系统由以下功能模块组成: 穿戴式生理参数传感( 电极) 系统、信号显示与存储系统、信号传输系统、电源系统、远程信息交互系统等。其中集成了生理信号获取及传输系统的一体系统,实现了可穿戴医疗监护信息的远程化可能,能够达到与远程终端有线或者无线的信号传输。可穿戴医疗监护服装系统涵盖了人体生理信号检测技术、传感技术、传感器件与服装集成技术、信号处理及系统通讯技术等技术模块,是一门多学科交叉的技术领域。

  1. 1 穿戴式人体生理信号及检测技术

  心电、呼吸、体温是人体生命体征的 大重要信号,在人体生理监护中有极其重要的参考价值。准确掌握生命体征的测量对确立护理诊断、明确护理目标、为病人提供及时的护理服务具有十分重要的意义。可穿戴监护服装将人体生理信号检测技术与可穿戴服装技术结合,通过在服装中整合传感器与电极等器件,以实现生理信号检测的目的。随着市场的需求及技术的发展,可穿戴医疗信息检测将通过与日常用品的集成而实现家庭化、个人化,而其核心技术也将逐渐标准化、智能化、小型化、多功能化和远程化。

  1. 1. 1 心电信号

  心电图( ECG) 是反映心脏机能的一项重要生理指标。心电信号是心脏心肌电位随时间的变化曲线,由于人体系统为导体,所以,通过使用放置于人体皮肤表面的电极,就可将心肌生物电位变化曲线记录下来,即为心电图。电极就成为将人体心脏产生的离子导电转化为可用于外部检测的电子导电器件。分析心电信号的时序和形态可帮助诊断心脏问题。由于ECG 信号属于低频低电压信号,信号微弱,而且易受到外界因素的干扰,影响ECG 信号的提取。其干扰因素包括人体本身原因( 如肌肉电干扰,运动干扰) 、电极方面的影响( 包括电极表面电解质状态,接触可靠性) 以及外部的电磁波干扰等。由于心电信号为矢量信号,因此,电极在人体表面的放置位置就显得至关重要,将会影响心电信号的形状。医学上通常采用标准12 导联连接模式,可从不同角度反映心脏活动状况; 而用于家庭及个人的便携式心电监护仪一般采用 导联或5 导联就能够满足基本的心电测量,也适合日常使用,便携式三导联心电监测方法如图1 所示。心电信号采集常使用传统粘胶式一次性心电电极( Disposable Electrode) ,这种电极为降低与皮肤之间的阻抗而使用了导电胶,同时,为电极与皮肤之间的相对位移,在电极的边缘使用了粘胶,这种方式很易造成皮肤过敏并且降低了电极使用的舒适性,因此,很难做到日常化使用。穿戴式生理监测系统要融入人们的日常生活,就必须采取无创的方式来获取人体生理信号。近几年,许多科研机构已经集中在研究纺织结构柔性电极。纺织结构电极具有纺织品的柔软性、舒适性、轻薄透气性以及可水洗和循环使用的优点,而且更易实现与服装的结合。

  图1 便携式三导联心电检测

  Fig.1 Portable three-lead ECG detected

  1. 1. 2 呼吸频率

  呼吸频率是指人体在一定时间内的吸气与呼气次数,它是人体体征的一个重要指标,可反映多项重要生理信息,是人体 大重要生理参数之一。一个完整呼吸循环可通过人体胸腔的容积变化来判断。呼吸频率目前的监测方法有口鼻气流测试法、电阻抗体积扫描法、应变式传感器( 压力传感器) 测量法、呼吸感应体积扫描法等。口鼻气流测量是将温度传感器放置于呼吸管道上,人体呼、吸气时产生的温度变化会引起传感器的电阻变化,用热敏电阻式传感器采样信号的原理来测试( 见图2( a) ) 。阻抗体积扫描法是指通过测试放置于胸腔区域的2 ~ 4 个电极之间的人体阻抗随呼吸过程的变化来反映人体的胸腔变化,从而测试呼吸频率( 气体是电的不良导体,它会增加人体阻抗) ( 见图2( b) ) 。应变式传感器( 压力传感器) 的测试原理是随着呼气、吸气的周期性变换,会产生呼吸管道以及胸腹部的周期性应变,利用应变传感器来记录胸腹表面的应变量,以此来测定呼吸频率( 见图2( c) ) 呼吸感应体积扫描法则采用电磁感应的机制来反映呼吸变化,其原理是将2 条呈 正弦 波形的导线放置于具有弹性服装的胸前及腹部,采用Collpitts 三点式震荡电容电路,测量导线线圈横截面的变化而引起线路的自感变化( 见图2( d) ) ,从而得到呼吸频率。以上4 种方法中,口鼻气流测量时传感器需要放在鼻口,不易佩戴,也不易于集成在服装中;阻抗体积扫描法不适合动态条件下持续测量,易引入运动伪迹; 应变式传感器和电感体积扫描法相对具有能够获取定量信息、灵敏准确、抗运动干扰能力强、易于使用和低负荷等优点,适合动态持续使用,是开发可穿戴呼吸监测系统的首选方法。但是呼吸感应体积扫描法具有与其他检测量,诸如心电测试相互干扰的缺点。

  图2 呼吸频率检测方法

  Fig.2 Detection method of respiratory rate.( a) Oronasal airflow measurements; ( b) Electrical impedance plethysmograph; ( c) Strain sensor; ( d) Inductive plethysmography

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