完美(中国)体育-2024上海高端医疗设备展Medtec一文读懂可穿戴健康监测产品及其传感器，值得收藏！
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00媒介
跟着科技的飞速成长，可穿着装备已经成为人们一样平常糊口中不成或者缺的一部门。这些小巧轻巧的装备不仅可以或许提供便捷的信息获取方式，更于康健监测范畴揭示出了巨年夜的潜力。2024上海高端医疗装备展Medtec转载本文重要切磋可穿着装备于血压检测、血糖检测、压力检测以和睡眠质量检测等方面的监测道理，以和相干的传感器技能。
01 康健监测装备里的重要监测旌旗灯号
今朝常见的康健监测装备常见的形态包括手环、腕表、指环、贴片等等。这些可穿着装备重要经由过程集成多种传感器，可以或许监测心率、血压、血氧饱及度、睡眠质量、压力程度等心理参数。这些数据对于在预防疾病、治理慢性疾病、陪同医治以和晋升糊口质量都具备主要意义。常见的重要监测旌旗灯号包括：心率、血氧、血压、血糖、睡眠质量、温度、压力等。
图：常见的可穿着康健监测装备监测旌旗灯号类型
02 差别心理旌旗灯号的探测道理
1.心率监测道理：
今朝来讲，心率监测道理有三种：
光电反/透射丈量法：经由过程LED光源发出一束光打穿透皮肤照射至血管处，丈量反射/透射的光旌旗灯号。由于血液对于特定波长的光有接收作用，每一次心脏泵血时，该波长城市被年夜量接收，以此就能够确定心跳。
心电旌旗灯号丈量法：经由过程丈量心肌紧缩的电旌旗灯号来判定利用者的心率环境，道理及心电图近似。 电脉冲丈量法：由于每一次心跳城市引起身体的震惊，经由过程高精度的传感器捕获这类震惊，再颠末旌旗灯号处置惩罚就能够获得心跳。 此中康健手环中基在第一种光电反射式的要领的产物比力多。其重要依赖一个LED光源及光电探测器构成的光电容积描记术 (PPG) 传感器，基在第二道理可以获得更高精度心率信息，对于应心电图（ECG）传感器。PPG这是一种于可穿着装备行业丈量心率的经常使用传感器技能。简朴来讲，PPG 传感器经由过程向手段皮肤直接发射光芒，然后丈量血液流动反射或者散射的光量来估算心率。PPG 传感器网络的原始数据随后由专为算法举行解读，并于此历程中转化为正确的心率预计值。这需要去除了任何会影响数据从而没法提供正确丈量成果的 “噪音”。
图片来历：基在PPG的高正确率低功耗心率监测模块设计_邱慧
典型的反射式PPG传感器道理：图片来历：https://support.coros.com/hc/en-us/articles/4406604073108-How-do-COROS-watches-measure-heart-rate
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许多伴侣最初接触到血氧监测应该是于疫情阶段，血氧监测的道理简朴来讲可以归纳为两句话： 1）血红卵白 (Hb) 会接收光芒。接收的光量与血液中 Hb 的浓度成正比。 2）富氧血红卵白及脱氧血红卵白对于差别波段光的接收差别
图片来历，https://www.howequipmentworks.com/pulse_oximeter/ 血氧监测的实现一样可以经由过程PPG传感器患上以实现。经由过程PPG传感器的心率监测历程，血氧旌旗灯号也会同步按照心脏的跳动而脉动。是以，经由过程旌旗灯号处置惩罚阐发提取血液脉冲身分（AC旌旗灯号），并纰漏所有非血液旌旗灯号（DC旌旗灯号），并联合外部电路、算法处置惩罚可获得血氧信息。
图片来历：基在物联网的可穿着式心率、血氧监测体系 3.血压监测
基在腕表、指环这一类小型消费级可穿着式血压丈量装备于技能实现上是有必然难度的，与传统的袖带式血压丈量装备比拟，丈量旌旗灯号的正确性是一年夜机能挑战。 传统的袖带式血压丈量装备的丈量道理均为“示波法”(又称振荡法)。于袖带放气历程中,经由过程脉搏波的幅值瓜葛找到对于应压力旌旗灯号,对于应的压力值就是需要丈量的血压值。基在腕表这种的血压监测，也能够近似示波法的方式实现丈量，依赖手段上的微气囊(袖带)测压,与上臂袖带示波法的丈量模式及道理不异，可是因为其产物形态自己的限定，丈量正确性较传统臂式丈量装备较低。
图片来历：智能可穿着装备于中青年血压治理中运用中国专家共鸣10.16439/j.issn.1673-7245.2022.08.005 还有有一类可穿着的血压丈量装备是无袖带血压丈量的挪动装备，其重要经由过程光电容积、心电图估算血压值及手指红外感到、超声等道理得到血压值的,其丈量的精度与靠得住性有待考据。
图片来历：规范智能可穿着装备对于血压的丈量 基在无袖带式的血压丈量装备的道理较多，此中一个实现方案是联合心电图及PPG传感器的脉搏波传导时间法，脉搏波从心脏传导至PPG旌旗灯号测试点的时间差,称PTT的血压丈量模子,凡是利用心电图作为PTT的出发点,指尖记载的PPG旌旗灯号作为PTT尽头。经由过程辨认心电图及PPG主波峰的旌旗灯号获得两个主波峰的时间距离。应用线性回归方程校订系数计较出紧缩压,因需要跟着人体勾当不停对于模子举行校准,计较舒张压的机能较差。 此外还有有脉搏波特性参数法，即经由过程成立脉搏波特性参数与血压的瓜葛推导出血压特性参数方程实现血压丈量,此要领对于PPG旌旗灯号完备水平要求高。
图片来历：https://conicear.best/product_details/66481975.html4. 血糖监测
于智能穿着范畴，血糖监测功效一直备受各年夜厂商存眷。苹果今朝于无创血糖监测技能取患上冲破性进展，将于Apple Watch上搭载该功效。据相识，这个项目被称为E5，研究的重要方针就是于不刺破皮肤取血的环境下，丈量人体血液中葡萄糖含量。
苹果无创血糖联系关系专利，图片来历：https://appleinsider.com/articles/18/08/23/apple-patent-suggests-work-on-non-invasive-glucose-monitoring-tech 知恋人士称，血糖监测体系将依靠苹果设计的硅光芯片及传感器，苹果开发的这类硅光子芯片，经由过程网络激光照射到皮肤后传回的光学接收光谱，来确定体内的葡萄糖浓度。血氧检测根据创口类型可以分为有创丈量、无创丈量、微创丈量。
图片来历：《光学无创丈量血糖新技能》 传统的有创血糖监测是基在电化学道理的有创血糖丈量，即基在电流计及电压计道理。此外还有可基在光传感器道理举行丈量，光学葡萄糖传感器利用一种凝血素物资及荧光试剂来探测差别浓度的溶液。这种检测都需要扎手指，病人的用户体验感差，是以厥后微创丈量技能逐渐鼓起。
图片来历：《光学无创丈量血糖新技能》 微创式血糖丈量包括针刺式及激光采血式。针刺式采用皮下传感器道理，激光式利用激光代替穿透微针头实现取血，削减了针头接触带来的交互传染的发生，痛苦悲伤较轻。
图片来历：https://innoacademy.engg.hku.hk/glucose-biosensor/ 最近几年来无创血糖丈量技能也于不停冲破，无创血糖可以分为直接丈量及间接丈量，前者基在葡萄糖份子布局，后者监测葡萄糖对于第二历程好比PH的影响。可是因为间接丈量于实现上本色是经由过程体液葡萄糖含量推测血液葡萄糖含量，其其实不能成立较好的逐一对于应瓜葛导致检测成果有时不克不及正确表现病理变化，是以真正有病理意义的还有是直接丈量。于《光学无创丈量血糖新技能》一书中，作者先容了今朝主流的及新兴的无创血糖丈量。包括：电阻抗法、接收光谱法、旋光法、拉曼光谱法。
图片来历：《光学无创丈量血糖新技能》
5. 睡眠质量检测
https://www.unityhealthnetwork.org/news/ultimate-sleep-tracker-guide-navigating-sleep-health-best-tools
睡眠质量检测是一个多传感+算法交融的历程。可穿着装备经由过程内置的加快度传感器及光电传感器来监测用户的睡眠状况。加快度传感器可以或许获取用户的体动特性，判定用户是否处在睡眠状况；而光电传感器则经由过程心率、心电旌旗灯号来阐发睡眠质量。差别探测器别离对于收罗的心电旌旗灯号及体动旌旗灯号举行滤波处置惩罚与算法阐发，得到睡眠时长、体动次数、心率变化等参数。再经由过程睡眠分期算法的阐发，患上出用户的睡眠质量陈诉。
图片来历：Sleep Monitoring Based on a Tri-Axial Accelerometer and a Pressure Sensor
6. 压力检测
压力检测是评估用户生理状况及糊口压力的主要指标。可穿着装备凡是采专心率变异性（HRV）及压力传感器来实现压力检测。HRV传感器经由过程阐发用户心率的变化来评估压力程度，而压力传感器则直接丈量用户皮肤外貌的压力变化。研究注解，联合这两种传感器技能的可穿着装备于压力检测方面具备较高的正确性及敏捷度。包括压力监测于内的生理状况检测是十分成心义的，特别是对于在有精力障碍的人来讲。 现实上生理压力会按照差别的压力及类型有差别的出现情势，单一的旌旗灯号是很难举行周全的监测、分类及判定的，是以对于应的传感器类型也有许多。虽然现有产物上的传感器件及监测模式相对于单一，可是将来成长趋向必然是会向着更多传感及信息的集成成长。
图片来历：Stress-Lysis: A DNN-Integrated Edge Device for Stress Level Detection in the IoMT
加州年夜学洛杉矶分校（UCLA）的一个研究团队开发了一种智能腕表，可以或许正确、无创、及时地评估汗液中的皮质醇程度。皮质醇是一种类固醇激素，凡是被称为“压力激素”，由于它于身体对于压力的相应中阐扬着要害作用。当身体或者生理遭到压力时，不管是急性的还有是慢性的，肾上腺会开释皮质醇来帮忙身体应答压力。皮质醇程度可以为佩带者提供压力等生化指标的信息。皮质醇很是合适经由过程汗液举行丈量，经由过程追踪汗液中的皮质醇，将可以或许以可穿着的情势监测这类变化，从而阐发用户的精力状况。
图片来历：https://newsroom.ucla.edu/releases/cortisol-sensing-smartwatch
03 可穿着传感器件
由上面的会商可以看到，虽然此刻的许多穿着式康健监测产物的产物形态比力多（手环、腕表、指环、耳机等），可监测的生物体征旌旗灯号也较多，可是其直接获取的旌旗灯号的要害传感器数量及种类相对于比力局限，是以探测旌旗灯号的正确度及可托度较着低在专业医疗装备，是以其提供信息只能用在一样平常康健监测而不成用在强医疗目的的场景。
今朝产物里的心率监测、血氧检测、血压检测都借助PPG传感器、ECG传感器患上以实现。皮肤温度等可借助温度传感器实现，体动及运动监测可经由过程加快度传感器实现。
图片来历：https://doi.org/10.1016/j.jacadv.2023.100267
图片来历：https://doi.org/10.1016/j.jacadv.2023.100267
1.PPG传感器
PPG传感器，全称为光电容积脉搏图（Photoplethysmogram）传感器，是一种使用光学道理来监测血管容积变化的生物传感器。集成的PPG传感器由多个发光二极管（LED）及一个光电探测器（PD）构成，其事情道理是光电探测器丈量皮肤外貌反射光的变化来形成PPG旌旗灯号。于光源照射下，皮肤内的血液容积会发生三种环境：必然量的光被接收、必然量的光穿透、必然量的光反射。反射光的强度及收罗部位（如腕部或者指尖）的血液容量会跟着心跳的变化而变化。所测旌旗灯号可分两种，别离是从皮肤色素冷静，脂肪，肌肉，骨骼等部位吸光度稳定的直流身分及从心脏所孕育发生的血容量转变有关的交流身分。探测光照强度与时间瓜葛曲线图称PPG旌旗灯号， PPG旌旗灯号各脉冲时间周期受心跳影响，振幅受动脉血液差别身分浓度影响。PPG重要运用在如下旌旗灯号检测：睡眠监测: 经由过程监测心率及心率变异性的变化，共同体动检测成果，可以评估睡眠质量及睡眠阶段。
比力成心思的是联合多光谱技能还有可以设计多光谱PPG。多波长光电容积脉搏图（MW-PPG）传感技能被认为是优在单波长光电容积脉搏图（SW-PPG）传感技能的。然而，因为传感探测器的可用性限定，很多先前的研究只能利用传统的粗笨且昂贵的光谱仪作为探测器，是以没法将MW-PPG技能运用在一样平常糊口。国立台北科技年夜学的团队开发了一种芯片级的多波长光电容积脉搏图（MW-PPG）传感器，利用了立异的芯片光谱仪，方针是面向可穿着运用。联合旌旗灯号处置惩罚要领，该装备可用在不变地提取PPG旌旗灯号，信噪比（S/N）提高了高达50%，可实现血氧饱及度、血压等多参数的丈量。
图片来历：MW-PPG Sensor: An on-Chip Spectrometer Approach PPG传感器的工艺及质料选择具有较年夜的多样性，可以不基在传统硅基工艺患上以实现，是以具备低成本、多设计自由度等上风。
PPG传感器中触及的重要质料系统,图片来历：Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors 全世界光电容积脉搏图（PPG）生物传感器市场范围于2022年估值为4.168亿美元，并估计从2023年到2030年将以11.6%的复合年增加率增加。
PPG传感器的市场趋向https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ppg-biosensors-market2.ECG传感器
ECG传感器，即心电图（Electrocardiogram）传感器，是一种用来监测及记载心脏电勾当的生物传感器。它可以或许检测心脏的电旌旗灯号，并将这些旌旗灯号转换成图形，以便在阐发心脏的康健状态及功效。ECG传感器的事情道理基在心脏细胞的电心理特征。心脏的每一一次搏动都是由心肌细胞的电勾当引起的。把稳肌细胞去极化及复极化时，会孕育发生微小的电旌旗灯号。ECG传感器经由过程监测电极检测到由心脏电勾当孕育发生的电位差并将旌旗灯号滤波、放年夜后联合算法阐发患上出心率等心理信息。
ECG及PPG虽然均可以获取心脏勾当旌旗灯号，可是其道理差别，ECG重要借助心脏电旌旗灯号探测，PPG借助光电旌旗灯号探测。ECG及PPG各有好坏，PPG于形态因素多样性及生物特性多样性方面体现凸起。ECG比PPG对于在生物电旌旗灯号的探测速率更快，且不易收到体表情况及体表差异等因素的影响。是以于心率监测等检测精度上更高。
图片来历：https://www.medicaldesignandoutsourcing.com/sensor-technologies-for-medical-grade-consumer-wearables/
图片来历：https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Difference-between-ECG-sensor-and-PPG-sensor.html
04 康健监测装备的将来成长趋向
图片来历：Sensors2023, 23, 2991. https://doi.org/10.3390/s23062991
可穿着形态的多样化
今朝重要的可穿着监测装备重要还有是腕表占多数，将来这一可穿着装备的形态将向着更多检测位置、更多布局形态成长，好比以戒指，贴片、耳机等形态成长，以致及部门饰品举行集成，好比集成在眼镜的及耳朵接触的框架处、女性的发夹上、纹身贴片、隐形眼镜上等。
图片来历：Adv. Electron. Mater. 2024, 2300765
2. 柔性可穿着
下一代可穿着式 PPG 体系，火急需要实现高探测率、快速相应时间及超薄、柔性，可拉伸的 器件模组设计，免除粗笨电源装配的自供电操作也利在即时检测运用。 柔性可拉伸PPG传感器是一种新型的光电传感器，具备如下长处：可拉伸性好: 可顺应人体皮肤的运动及变形，纵然于运动或者其他身体勾当时也能连结优良的丈量精度。高集成度: 可直接集成到各类可穿着装备中，例如智能贴片、耳机、指环等，利便用户随时随地举行康健监测。潜于运用广泛: 除了了可穿着装备以外，还有可用在集成得手术器械中举行辅助监测。
图片来历：Lee et al., Sci. Adv. 8, eabm3622 (2022) 
图片来历：ACS Nano 2023, 17, 20013-200233.体液传感器
可穿着体液检测器是一种新兴的医疗监测装备，它可以或许经由过程阐发体液（如汗液、唾液、泪液等）来监测及评估个别的康健状态。这些装备凡是集成于可穿着装备中，如智能腕表、康健追踪器、智能服装等，为用户提供及时的康健。常见的体液包括汗液、人体构造液（ISF）、唾液等。这一技能还有可以联合POCT等成长，实现把穿着装备往病理诊断等医疗意义的方面更进一步。
图片来历：Singh, S.U., Chatterjee, S., Lone, S.A. et al. Advanced wearable biosensors for the detection of body fluids and exhaled breath by graphene. Microchim Acta 189, 236 (2022). https://doi.org/10.1007/s00604-022-05317-2
图片来历：https://doi.org/10.1038/s41578-022-00460-x
常见的体液传感器是汗液传感器。可穿着汗液生物传感器可以或许及时阐发汗液身分，经由过程汗液中的生物标记物的阐发提供有关康健状态的有洞察力的信息。
图片来历：Wearable Sweat Biosensors，2016，IEDM4. 新型传感器技能今朝可穿着传感器正向着多样化标的目的成长，当咱们将电化学传感器、力传感器、体液传感器、光电传感器等组合运用后，将会获得更多信息。
图片来历：Sensors 2023, 23, 29915. 可摄取生物传感器
2024上海高端医疗装备展Medtec认为从临床意义上说，可穿着的康健监测装备仅能提供参考信息，不克不及用在诊断及医疗目的，这是因为可穿着传感器没法达到体内的一些病变点，不克不及直接获取疾病联系关系的直接信息，而且体表可检测的康健指标轻易遭到滋扰。是以可摄取的生物传感器，比图所示的生物传感胶囊（IBC），可以经由过程胃肠道（GI）靠近重要器官，监测广泛的生物标记物，作为有用的临床诊断东西，甚至提供针对于性的外科及药物医治。
图片来历：Sensors 2023, 23, 2991参考资料：https://www.plus1health.com/%E6%99%BA%E8%83%BD%E6%89%8B%E7%8E%AF%E5%BF%83%E7%8E%87%E7%9B%91%E6%B5%8B%E5%8E%9F%E7%90%86/https://support.coros.com/hc/en-us/articles/4406604073108-How-do-COROS-watches-measure-heart-rate
https://appleinsider.com/articles/18/08/23/apple-patent-suggests-work-on-non-invasive-glucose-monitoring-tech
https://innoacademy.engg.hku.hk/glucose-biosensor/基在人体心理旌旗灯号的睡眠监测体系研究_薛美静
https://www.unityhealthnetwork.org/news/ultimate-sleep-tracker-guide-navigating-sleep-health-best-tools
Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors
ACS Nano 2023, 17, 20013-20023。Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu-In-Se Quantum Dot Photodetectors forWearable Health Monitoring
Singh, S.U., Chatterjee, S., Lone, S.A. et al. Advanced wearable biosensors for the detection of body fluids and exhaled breath by graphene. Microchim Acta 189, 236 (2022). https://doi.org/10.1007/s00604-022-05317-2
Biocompatible and Long-Term Monitoring Strategies of Wearable, Ingestible and Implantable Biosensors: Reform the Next Generation Healthcare
Stress-Lysis: A DNN-Integrated Edge Device for Stress Level Detection in the IoMT
https://www.tno.nl/en/newsroom/insights/2023/01/monitoring-your-health-using-light-tno/
Sensor Technologies for Medical-Grade Consumer Wearables
Sensors2023, 23, 2991. https://doi.org/10.3390/s23062991
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