第十四节 可穿戴检测和在体检测技术

一、可穿戴检测技术

医学科技与现代信息技术、材料科技等的交叉融合正在改变疾病诊治模式，给医学检验设备带来了翻天覆地的变化，从以前昂贵的大型设备逐渐发展为如今便携、智能、高精度的小型仪器，利用各种便携式健康采集产品随时随地监测身体状态，成为获取个人生理数据的一种有效方式，给临床诊断质量及健康体验带来了巨大的提升。

（一）可穿戴设备的定义

可穿戴设备（wearable devices）也称可穿戴计算设备，目前并没有统一的概念定义。一般认为是可直接穿在身上，或是整合进用户的衣服、配件的一种便携式设备，可通过软件支持、数据交互以及云端交互来实现强大的功能，具有低负荷、可移动操作、使用简便、支持长时连续工作和无线数据传输等特点。

许多早期的可穿戴设备都佩戴在腰部，因为靠近身体重心的位置使得设备的尺寸和重量更容易控制。随着传感器、材料、移动互联网等技术的快速发展，可穿戴设备的形态更加丰富多样，出现了手表、手环、眼镜、挂件、衣服、鞋子等各种形式。

与医学相关的可穿戴设备主要有运动健康类和医疗健康类。运动健康类主要以智能手环和智能手表为代表，可进行运动参数的采集和分析。医疗健康类形式较为多样，如动态血糖检测仪、生命体征测量T恤衫、可穿戴除颤器、可穿戴胰岛素泵等，具有医疗监测，甚至是物理治疗功能。这些可用于医学检验领域的可穿戴设备，大多具有随时、随地的特点，正是“智慧医疗+POCT”的良好体现。

（二）可穿戴设备的相关技术

可穿戴健康产品是指利用穿戴式生物传感器采集人体运动与生理参数，实现对人体非介入、连续无创、主动式采集监测体征数据，帮助穿戴者实现健康和运动管理的设备，主要有生理运动信号检测和处理、信号特征提取和数据传输及分析等基本功能模块。可穿戴健康产品的硬件技术涉及很多方面，主要包括芯片技术、传感技术、低功耗技术、显示技术、机器人技术等。软件支持及数据交互、无线传输通信、虚拟现实、大数据传输以及制造封装技术等为可穿戴健康产品营造出最适宜的生态环境。

1.芯片技术

作为电子产品的核心，芯片决定了可穿戴设备的功能与外观。随着集成电路技术和生物医学工程技术的发展，芯片逐步走向微型化、网络化，越来越多的可穿戴式医疗芯片和微系统被开发出来，基于低成本、低功耗、高传输速率无线通信技术实现的可穿戴医疗芯片系统方案，已应用于人类医疗、健康监护等领域，使人体的健康状况得到随时随地的移动监测，如穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、睡眠生理检查器、腰带式呼吸心跳监护仪等。

2.传感技术

传感器是一种监测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感技术是可穿戴设备的核心技术之一，可大致分为运动传感、环境传感、生物传感。运动传感可以探测人或物体运动，包括眼球追踪、手势辨别等；环境传感主要进行环境感知，包括pH值、温度、湿度、风速、风向和压力等；生物传感主要用于生命体征监测，包括血糖、血压、心跳、睡眠质量等。

3.显示技术

可穿戴设备中的常见显示技术包括液晶显示、有机发光二极管（OLED）以及低功耗屏幕。传统液晶的技术已非常成熟，但其发光依赖于屏幕后的发光背板，无法做到轻薄，同时耗电量相比于其他两种屏幕更大。近几年出现的OLED，具有显示单元可以发光的特性，更加容易实现曲面显示，可以更好地配合产品的外观设计，正在逐渐取代传统液晶屏。

4.供电模块与低功耗技术

能量存储系统对于可穿戴设备的便携性与续航时间至关重要，目前，为可穿戴设备提高续航时间主要有以下三个方向：①从操作系统、芯片、屏幕和终端互联等方面降低功耗；②缩小电池的体积、增加电池容量，如可弯曲电池；③采用无线充电、极速充电等新技术来提高续航。

可穿戴设备的系统功耗问题是解决功能不可忽视的影响因素，目前，低功耗技术研究主要包括基于硬件的低功耗和基于软件的低功耗两个方面。可穿戴设备硬件的元器件所耗费的功耗约占系统功耗的一半以上，可通过选用CMOS（互补金属-氧化物半导体）集成电路的元器件，降低元器件的工作电压，选择低功耗功能特征的外部模块，从而降低整体系统的功耗。软件的低功耗技术主要有操作系统的动态电源管理、软件代码的编译优化、运用应用程序降低功耗等。

5.数据传输技术

可穿戴设备与终端的通信可以基于蓝牙、无线局域网（WLAN）、GPS、近场通信（NFC）等技术。用户可以通过蓝牙和WLAN技术从可穿戴设备中获取数据，并将数据发送到手机或云端；通过WLAN直连技术直接将两个WiFi设备连接在一起；通过GPS提供位置信息；也可以通过NFC技术将可穿戴设备与智能手机相连，用于移动支付。

6.处理器及操作系统

可穿戴设备具有一定的信息获取和处理能力，其功能取决于设备的计算能力和操作系统的性能。

（三）健康医疗领域的可穿戴检测

随着科技进步和交叉学科的发展，可穿戴设备在健康医疗领域展现出巨大潜力，其应用包括健康监测以及疾病的筛查、诊断、干预和治疗等。

1.健康监测

健身手表使用了心率监测技术，可从腕间持续自动追踪心率。心脏跳动时，毛细血管会扩张和收缩，通过LED绿灯（表盘背面的绿色闪烁灯）在皮肤上的反射来检测血流量的变化，从而得到相应的心率数据。

在健康管理方面，健身手表能够为用户测量心率、监控锻炼方式及总量。可以全天监测用户的心脏，用户也可以随时查看心率并掌握心脏健康状况，只要它监测到用户的心率过高或过低，就会及时发出通知，提醒用户采取措施。目前部分产品还配备了心电传感器，增加了ECG（心电图）检测功能。

目前市场上出现了很多可穿戴、无线、持续监测的智能体温计，大多佩戴在儿童身上，24h实时监控孩子的体温变化。通过和相应的手机APP进行通信配对，父母便能随时了解孩子体温变化情况。

2.早期筛查

文胸插入物是可用于乳腺癌自我筛查的智能可穿戴设备（图2-50）。

该设备配备了非侵入式热传感器，用户只需要将热感应杯插入运动文胸，就可以收集到乳房表面的热量数据，从而绘制出乳房热量图，这些信息可经蓝牙传送到用户及其医生的手机APP上。如果用户胸部出现了肿块，乳房就会充血、发热，这些都可以在APP中体现。如果认为用户数据可能存在异常，就会建议用户进行后续检查，以便与医疗保健专业人员进行进一步筛查。

共振频率阻抗谱（REIS）检测技术是测量乳房组织电阻抗的检测方法，具有无辐射、非成像、成本低、便于操作等特点，设计成运动胸衣式可穿戴式设备，并融入移动互联网医疗强大的通信能力以及APP良好的交互界面的优点，完成乳腺癌早期风险监测的可穿戴系统，实现日常自查。

3.明确诊断

双相情感障碍（BD）和注意缺陷多动障碍（ADHD）都是常见的精神疾病，它们具有共同的临床特征，常常使诊断和治疗复杂化。睡眠障碍是鉴别诊断BD与ADHD的特征之一。美国的研究人员通过体动记录仪可穿戴设备进行儿童睡眠、昼夜节律和多动异常情况的研究，并实现了BD患儿与非BD儿童的高精度鉴别诊断。该研究证实了可穿戴设备在临床诊断中的巨大价值。

4.疾病干预

仿生胰腺iLet，内含传感器的细针植入皮下，进行血糖水平的实时监控（图2-51）。然后手机APP根据检测到的血糖值，自动控制分泌胰岛素或胰高血糖素，在血糖过高或过低时及时进行干预调节。

5.辅助诊疗

可穿戴设备不仅能在诊疗过程中帮助患者，还能满足医务人员的需求。有的可穿戴设备能在临床工作中发挥辅助作用，帮助医务人员采集、传输各类信息，是医务人员的好助手。

“Eye-on glasses 3.0”是一种POCT化的可穿戴成像系统，适用于院前护理、医院、门诊手术中心以及其他需要快速准确地进行静脉注射的场景。“Eye-on glasses”的原理是向患者体表投射多光谱光线，这些光线照射到血管或组织上，就会被血管组织吸收或反射。“Eye-on glasses”上安装的摄像头会实时检测光线被反射与吸收的情况，经过数据处理得到一张实时静脉血管图，并投影在头戴式透明显示器上，方便护士更加准确、便捷和安全地完成静脉注射。

二、在体检测技术

市面上主流的可穿戴设备，如智能手环、智能手表等，通常以无创的方式，仅通过皮肤接触来进行健康监测，其检测精度必然受到限制。作为可穿戴医疗设备的进一步发展，在体检测技术已应用于可穿戴医疗设备，其优点就在于可高精度地检测生理和生化参数，且能做到实时、定点、动态的监测，上文介绍的“仿生胰腺iLet”就是一种在体检测设备。

随着传感器技术的发展，目前已出现多种多样的在体检测技术，常见的有介入式检测、吞入式检测以及体内固定植入式检测等方式。

（一）介入式检测设备

伦敦帝国理工学院的研究人员开发了一套3D打印微流控装置，用于人体组织代谢水平的持续监测。该装置采用一根经FDA批准的临床微透析探针对皮肤进行轻度穿刺，结合微流控芯片对骑自行车者的皮下血糖和乳酸进行提取和检测。实验结果表明，该装置在实时监测和评价运动员训练效果方面具有很大的潜力。

（二）吞入式检测设备

麻省理工学院和布莱根妇女医院的研究人员研制了一款胃液驱动胶囊，能够在体内监测健康和服药情况。该胶囊长约30mm、宽约10mm，可固定在胃里，内置的小型传感器能够不间断地监测温度和心率，并将数据传送至手机。在此基础上，研究人员研发更小的尺寸版本，使得胶囊能够在人体内持续数周监测各种生理指标。

（三）体内固定植入式检测设备

为给患者提供检测方便，皮下植入式POCT装置可以持续监测皮下细胞间液（ISF）中的生物标志物水平，为疾病的诊断和病情的发展提供预警信息。目前，已经开发出了完全可植入式生化传感装置用于葡萄糖监测，它被认为是体液分析检测中的第四代技术。植入式POCT装置尚面临着很多技术挑战，至今还未见植入式POCT装置能在动物体内保存数天却能正常工作的报道。

创伤性脑损伤的患者就医后，医生需要对其进行颅内压测定。但传统的监测设备过于庞大，而且需要连接患者与外部监测器，操作不便。美国科学家John A.Rogers团队报道了一种可植入大脑的可溶性生物传感器，用于持续监测颅内压力、体温及其他参数（图2-52）。这种新型传感器也被称为“无痕硅片”，使用后可自行溶解于脑脊液，既消除了有线接口，也无需通过手术进行摘除，可大大降低患者机体感染和并发症的风险。

目前，在体检测技术的发展尚处于早期，绝大多数还处于实验室研究阶段。若要成为成熟的医疗产品，还面临着很多技术挑战，除了检测技术的完善，还有生物相容性、能源、通信、数据分析等各方面的问题需要解决。

（刘利辉）