光学仪器  2020, Vol. 42 Issue (2): 87-94   PDF    
生理参数监测技术及设备的研究进展
张磊, 田泽懿, 唐春晖, 高秀敏     
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
摘要: 随着传感器技术、信息采集和处理技术以及互联网技术的发展,便携化、智能化、网络化、精准化以及模块化逐渐成为生理参数监护设备的发展趋势。通过调研近几年生理参数监测领域的研究成果和市场趋势,对生理参数监测技术以及监测设备的研究现状进行了概括,分析了其面临的问题和挑战,指出了其未来的发展趋势,并对未来的工作提出了展望。目的是为生理参数监测领域的研究提供参考,并为促进该领域的进一步发展做好铺垫。
关键词: 生理参数监测    研究现状    发展趋势    
Research progress of physiological parameters monitoring technology and equipment
ZHANG Lei, TIAN Zeyi, TANG Chunhui, GAO Xiumin     
School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: With the development of sensor technology, information acquisition and processing technology, internet technology, portable, intelligent, networked, precise and modular monitoring equipment have gradually become the development trend of physiological parameters. By investigating the research results and market trends in the field of physiological parameter monitoring in recent years, this paper summarizes the research status of physiological parameter monitoring technology and monitoring equipment, analyses the problems and challenges it faces, points out its future development trend, and puts forward the prospect of future work. The purpose is to provide references for the study of physiological parameters monitoring and to pave the way for the further development of this field.
Key words: physiological parameter monitoring    research status    development trend    
引 言

目前,不论是在发展中国家还是在发达国家,随着平均寿命的增长,老龄化的问题都日趋严重。据预测,约到21世纪中叶,我国60岁以上的老人将达到4亿,约占我国人口总数的25%[1]。根据一项调查显示,我国近80%的60岁以上老人患有至少一种慢性疾病,50%同时患有至少两种慢性疾病[2]。由此衍生出很多关于老年人医疗监护的问题,老年人由于各项生理机能退化,普遍存在健康问题,很多问题需要长期监护,但是不可能一直住在医院接受治疗。另外,针对一些慢性疾病,需要监测发病时的生理参数,但目前的监护方式却需要将病人束缚在医院,很难实现对病人的活动监护[3]

近些年,随着社会压力的增大,生活节奏变得越来越快,很多年轻人也都处于亚健康状态。长期处于这种亚健康状态很容易引起各种疾病,严重的甚至会引起猝死,这种状态严重地影响着人类的健康[4]。为了能够实时检测到亚健康人群的各项生理参数,及时了解人体健康状况,为临床诊断治疗提供准确的依据,必须对人体的各种生理参数进行实时监测,以达到预防各种疾病的目的。

人体的血压、心率、心电、血氧饱和度、体温、辐射能量等生理参数是人体最基本、最重要的生命指标,对这些生理参数的监测能够及时掌握其身体状况的变化,最大限度地保障人们的身体健康[5]。人体各项生理参数反映着人体健康方面的信息,近年来,人们的医疗观念逐渐从传统的疾病治疗向提前预防和保健护理方面转变,希望能够在家中就方便及时地了解病人、老年人和儿童等家庭成员的身体状况,甚至希望在无人看管的情况下能够随时监护病人的健康状态,实现对亚健康、潜伏性疾病人群的常见疾病以及突发疾病的早期发现和预测[6-7]

便携的人体生理参数监测设备能记录携带者的健康信息变化情况,并将监测信息实时传输到医生手里,供医生做出及时的诊断和治疗,提高了医院对病人病情的诊断效率。对中老年人群而言,高效的监护手段可以带来安全,同样对于工作压力巨大的青年人,在日常生活中可以得到全天24 h不间断的监护,也能在很大程度上获得安全感。目前生理参数的远程监护已成为生物医学工程领域的研究热点[8-9]

1 国内外研究现状 1.1 生理参数监测设备研究现状

生理参数监测设备在20世纪50年代左右就已经出现了,发展至今,监护仪已经成为了一种常规的医学监测设备。按监测方式划分,主要有穿戴式监测设备、便携式监测设备、台式监测设备等;按功能划分,有心电监测设备、除颤监测设备、睡眠监测设备、多参数监测设备等。随着科技的进步和经验的积累,生理参数监测技术已经取得了很大的进步。在欧美一些国家,借助现在体积小、价格低的嵌入式计算机和更为发达的无线网络技术,已经开发出了各种可穿戴式的监护系统,其产品性能稳定,价格与国内产品相比有很大的优势。近些年随着市场对健康监护设备需求的增加,许多科研机构、公司相继开展了生理参数监测设备的研究与开发[10-12]。关于生理参数健康监测的产品或者研究成果层出不穷,图1为市面上的一些医用生理参数监测设备。

图 1 医用生理参数监测设备 Figure 1 Medical physiological parameter monitoring equipment

国外很早就对生理参数监测设备研制投入了大量的人力物力,欧盟信息社会技术的FP5项目所研制的腕戴式生理参数监测仪AMON,在生理参数监测领域最先取得较大的进展,开发出了一种腕戴式的远程医疗监护设备。该设备功能比较强大,将多个传感器集成到腕带上,可以连续采集心电、血压和血氧饱和度信息,还可以将数据用蜂窝网连接到医学中心,对测量数据实时处理,并具备保健和报警等功能[13-14]。另外一个有代表性的设备是美国Vivo Metrics公司开发的可穿戴的背心式的生理参数监测设备Life Shirt,即生命衫,如图2所示。该设备通过多生物传感器监测人体的不同生理参数,如心电、血压、心率、体温以及呼吸等[15-18],目前已经被100多家医院采纳并作为临床医疗仪器,对生理参数监测领域做出了巨大的贡献,但该设备采集到的数据不能实时传输,因此无法实现远程实时监控的功能,只能作为医院里的定点医疗器械。美国Zephyr公司的Bioharness便携式生理参数测量系统将传感器嵌入到胸带上,如图3所示,可以监测心电、心率、体温、呼吸、身体动作等,对数据可以进行实时分析或者储存在计算机上进行后续分析。

图 2 Life Shirt 穿戴式生理参数监护系统 Figure 2 Life Shirt wearable physiological parameter monitoring system

图 3 Bioharness便携式生理参数测量系统 Figure 3 Bioharness portable physiological parameter measurement system

国内在生理参数监测领域的研究起步较晚,与国外还有一定的差距,但是随着我国经济实力的提高和对健康监护的重视,在该领域也已取得了一定的成就。现在我国市面上也有一些技术比较成熟的便携式生理参数监测仪器,其中以北京美高仪、深圳迈瑞等为代表,其他就是一些高校和研究院的研究成果。吉林大学研制了穿戴式人体生理参数监测系统,如图4所示,可以测量人体的心电信号、血压、体温、心率、血氧饱和度等生理参数,功能比较齐全,但在穿戴舒适度、便携性和测量准确度方面还存在不足之处[19-20]。北京理工大学研究的便携式多参数智能医疗系统,可监测的参数有心电信号、血压、心率和血氧饱和度,可以实现这些参数的采集、处理、显示和储存功能,并可以通过无线网络与手机进行互联,完成数据的交互功能[21]。江苏大学的多参数人体生理信号动态检测系统可以实现对人体体温、脉搏以及血氧饱和度等生理参数的监测,而且可以通过无线网络通信模块将数据上传至终端,进行分析和处理[22]。南昌航空大学研制的可穿戴远程健康监测预警系统可检测人体的心电、呼吸、血氧饱和度等生理参数,实现了生理参数监测系统的便携化,而且该系统集成了多种生理异常评价算法及老年人姿态跌倒预警机制,可用于老年人防跌倒及预警[23]。刘红等设计的人体健康智能监护系统,可实时监测人体血压、体温、心率、脉搏、心音等情况,该设备的灵活性较好,且可扩展性较强,具有一定的便携性和易用性[24]。中国科学院电子学研究所的盛婷钰等设计了腕表式睡眠呼吸暂停监测系统,可以监测用户的呼吸气流、血氧饱和度、心电图和胸腹运动情况,判断呼吸是否暂停,可以记录整晚呼吸暂停的次数,同时可以将测得的数据通过蓝牙模块发送到终端,对数据进行分析,该系统的优点是佩戴方便、便携性好,缺点是功能比较单一[25]

图 4 吉林大学设计的穿戴式人体生理参数测量系统 Figure 4 Wearable measurement system of human physiological parameters designed by Jilin University

近几年健康监护设备的发展情况说明,我国在该领域的发展还是卓有成效的,但距离国外发达国家还有着一定的差距,因此还需政府、研发机构以及医疗部门齐心协力来促进该领域的进一步发展。

1.2 生理参数监测技术研究现状

现有生理参数监测设备可以监测的数据主要是心电、血压、血氧饱和度、心率、呼吸和体温等,监测设备的类型虽然比较多,但其检测原理大多类似。血压采集:主要采用光电容积法,利用脉搏波信号和脉搏波传导时间提取特征参数,选择相关性较高的特征参数建立相应的血压计算模型,最终确定血压值[26-30],还有一种方法是通过采集ECG(electrocardiogram)信号和PPG(photoplethysmography)信号,提取特征值并建立血压模型,从而确定血压值[31-32]。血氧饱和度采集:主要根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白对不同波长的入射光反射的区别,通过传感器探测和接收光电信号,通过处理即可算出血氧饱和度值[33-35]。心电信息采集:以氯化银电极片贴于人体胸腹和手脚,采集体表任意相隔一定距离的两个部位间形成的电位差,来获取心电与呼吸的信息,该方法具有价格低廉、信号稳定的优点[36-38],还有一种电极是接触式干电极,相较于湿电极,其无需涂抹导电膏,可以实现运动状态下的心电信号采集,其中织物电极如帽子等,可从穿戴式电极的数据获取心电信息,因此被广泛应用于穿戴式医疗设备[39]

目前,生理信息技术的研究难点以及关键点主要是生理参数采集技术和生理参数传输技术。其中生理参数采集技术的研究重点主要是血压参数、心电参数、血氧参数等主要参数的采集。黄俊骁等设计了警员可穿戴多体征参数监测系统如图5所示,其中警盔利用反射式探头采集光电容积脉搏波,即PPG信号,用来检测血氧饱和度,利用T恤上导电硅胶和 ADS1292R 采集心电ECG信号,来达到检测心电和心率的目的[40]。浙江大学的许文媛等利用成像式光电容积描记技术,通过高速摄像机实现了非接触式获取脉搏波信号的相位差和心率,根据人体血压值与脉搏波相位差和心率的关系,通过曲线拟合得到血压值计算函数,从而实现了基于高速摄像机的动态血压非接触获取[41]。蒋曲博等设计了反射式血氧饱和度检测系统,提出了一种基于集成芯片AFE4490的脉搏血氧信号监测方案,并利用基于小波变换的滤波算法实现了对血氧信号的去噪处理,获得了高质量的反射式容积脉搏波[42]。武汉大学的廖远等设计的低功耗便携式多导联心电信号采集系统,采用直流耦合方法,通过生物电位测量ADS1298模拟前端,并在其中通过可编程仪表放大器进行放大,最终实现微弱心电信号的采集和获取[43]。李艳设计了基于柔性电子技术的可穿戴式产品系统,如图6所示,采用了目前非常热门的柔性电子技术,基于柔性石墨烯织物心电电极设计了柔性可穿戴背心,并可以将数据传输到手机终端显示,用户舒适性较好,不失为未来的一个大的发展趋势[44]

图 5 警员可穿戴多体征参数监测系统 Figure 5 Police wearable multi-sign parameter monitoring system

图 6 基于柔性电子技术的可穿戴式产品系统 Figure 6 Wearable product system based on flexible electronic technology

生理参数传输技术主要包括生理信息的上传、处理、显示以及人机交互等,远程数据传输主要是采用WLAN、GPRS、4G等,低功耗近距离传输则主要是利用蓝牙、ZigBee等。随着科学技术的发展,如今手机、电脑等都内嵌蓝牙模块,因此可以利用蓝牙模块将数据直接传输到移动终端上显示,只需在手机和电脑上安装指定的App,即可实现生理参数的实时监测[45]。中国计量大学的竺春祥等设计了基于ZigBee网络的可穿戴生理参数监测系统,通过ZigBee网络实现数据的发送和接收,协调器通过网关将数据传输到网络服务器,相关人员可以通过客户端远程访问网络服务器,实时了解被测人员的生理参数。该系统检测精度高、便携性好、功耗低、性价比高[46]。江苏大学的王娟等设计了基于Android 平台的多生理参数监测系统,可以实现三个功能:信号采集、将信号通过蓝牙模块传输到手机终端、在手机终端实现心电、脉搏波波形绘制以及心率、呼吸、血氧和脉搏值的实时显示[47]。曹德森等设计的随行生理监护系统由随行生理参数监测终端、中央监护系统以及无线组网和数据传输模块组成,利用基于WIFI技术的组网系统实现数据传输,通过后台数据服务器和算法服务器对随行生理参数监测终端监测到的数据进行显示和处理,并支持医疗大数据深度挖掘和分析应用[48]

随着传感器技术和互联网技术的不断发展,生理信息采集技术和传输技术也在不断发展,如柔性电子应变传感器、电子皮肤触觉传感器等新技术传感器,以及基于蓝牙、ZigBee网络、WIFI的物联网与大数据信息处理技术和无线移动互联网技术,这些技术正是目前生理参数监测设备的关键技术,因此生理参数监测技术的发展也在带动着生理参数监测设备的飞速发展。

2 总结与展望

目前国内在生理参数监测领域的研究大都停留在研究阶段,很少有比较成熟的、可以面向市场投入使用的设备和系统,而国外很多产品都已经商品化了,因此在该领域还要我们投入更多的人力物力进行研究。生理参数监测的方式也在不断发展,从个人监测到大众监测,从单生理参数到多生理参数,从单台设备监测到多台设备互联监测,从医院监测到社区和普通家庭的使用,需要有更多的产品来满足人们的需求。但是目前生理参数监测设备还存在着一些问题,如体积较大、功耗较大、便携性较差、操作比较繁琐、设备昂贵、需要专业人员操作等,这对测量人员的素质、监测装置和检测技术都提出了新的要求。

现有生理参数监测技术,虽然在生理信息的采集、处理、传输以及预报警上有不少新的方法,但大部分还处于初步探索阶段,暂时还不能应用于临床,技术标准还需要实现共享和实现通用,临床检测数据还需要进一步研究。但随着传感器技术、信息处理技术以及互联网技术的发展,该领域的技术也在飞速发展,医疗监护领域将会迎来新的变革。

目前生理参数监测设备和生理参数监测技术主要的发展趋势有:

(1)便携化。在保证设备功能和测量精度的前提下,减小设备的体积,减轻设备的重量,以达到方便用户使用和携带的目的。

(2)智能化。设备功能越来越完善,可测量的参数越来越多,且越来越智能,不仅有基本的生理参数检测,还可以增加一键呼叫医生和子女等非常人性化的功能,利用人工智能和大数据处理技术,使人机交互更加人性化。

(3)精准化。医疗数据的高准确性是医疗设备的必备要求,也是医生指定医疗方案和计划的基础。生理参数监测设备作为一种医学设备,其准确度影响着医疗质量和生命安全,因此生理参数监测技术需要不断突破,达到更高的精度。

(4)网络化。通过网络、蓝牙、局域网等方式,将测得的数据实时传输至云端,对数据进行处理和分析,供用户参考。

(5)模块化。使用丰富的模块化设计,可以根据用户的不同要求定制不同的模块,从而实现资源的最大利用。

本文概括了生理参数监测设备和生理参数监测技术国内外的研究现状,并对该领域今后的发展趋势提出了展望。生理参数监测设备作为一种医疗器械,对医疗质量和用户的健康安全会产生巨大的影响,因此生理参数监测领域需要不断发展,也需要更多研究人员的投入,共同促进该领域的进步。

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