技術(shù)融合使非侵入式可穿戴醫(yī)療設(shè)備化為現(xiàn)實(shí)

過去一年來，我們已經(jīng)在各種可穿戴設(shè)備和個(gè)人健康/健身設(shè)備上看到大量的活動(dòng)了，預(yù)計(jì)未來還將出現(xiàn)更多。這些小型設(shè)備能夠追蹤脈搏與呼吸、心臟波形、血氧濃度(SpO2)等等。

然而，在這些有益身心的醫(yī)療和健身設(shè)備備受關(guān)注之余，可別模煳了該領(lǐng)域的更大視野。業(yè)界工程師、研究人員和科學(xué)家正致力于結(jié)合各種先進(jìn)的傳感器類型和技術(shù)，以及復(fù)雜的模擬和數(shù)字信號(hào)處理，期望為各種醫(yī)療問題提供新的見解，并以低(或無)風(fēng)險(xiǎn)的非侵入方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。根據(jù)最近的一些報(bào)導(dǎo)指出，近期的原型產(chǎn)品或測(cè)試評(píng)估階段即透露出這種技術(shù)融合的發(fā)展態(tài)勢(shì)，無論是聲譽(yù)卓著的設(shè)計(jì)競(jìng)賽或大學(xué)研究，均展現(xiàn)其中一些設(shè)計(jì)開發(fā)的特性與復(fù)雜度。

例如，測(cè)量血壓通常至關(guān)重要，并且有許多完全自動(dòng)化的單元：它們?yōu)閴好}帶充氣、釋放壓力、再?gòu)膲好}帶捕捉輸出信號(hào)，然后采用信號(hào)處理算法，在收縮壓和舒張壓獲取所需的結(jié)果——由于必須考慮到壓力信號(hào)范圍、信號(hào)上無法避免的非電雜訊以及其他失真，這可不是個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。此外，還得注意到連續(xù)即時(shí)測(cè)量血壓而無需停止、充氣和放氣的挑戰(zhàn)等，但這對(duì)持續(xù)監(jiān)測(cè)是十分有幫助的。

這正是Bold Diagnostics在‘Create the Future 2016’競(jìng)賽中克服的挑戰(zhàn)，并因此脫穎而出成為該競(jìng)賽的贏家。該公司的連續(xù)可穿戴血壓計(jì)設(shè)計(jì)由于考慮到主動(dòng)脈弧的解剖結(jié)構(gòu)導(dǎo)致固有延遲的事實(shí)，因而采用差分脈沖到達(dá)時(shí)間(Differential Pulse Arrival Time;DPAT)技術(shù)，讓心臟收縮產(chǎn)生的脈搏波在到達(dá)左臂之前先到達(dá)右臂。

到達(dá)時(shí)間的差異即為血壓指標(biāo)(圖1)。相較于控制測(cè)量，利用這種方法據(jù)稱能夠在DPAT方法和傳統(tǒng)的血壓測(cè)試測(cè)試方式之間達(dá)到±5 mm Hg的強(qiáng)相關(guān)。

圖1：DAPT利用左右手臂測(cè)量心臟脈搏到達(dá)時(shí)間的微小差異，作為壓力的函數(shù)，以及血液從每一路徑行進(jìn)至另一路徑之間不同傳送距離的結(jié)果

圖2：基于DPAT方法的受控測(cè)試結(jié)果顯示相當(dāng)接近采用標(biāo)準(zhǔn)方法的收縮和舒張讀數(shù)

另一項(xiàng)有趣的獲獎(jiǎng)產(chǎn)品是Apnosystems嬰兒護(hù)理系統(tǒng)(ICS)。這款嬰兒治療用的小型穿戴式系統(tǒng)是專為連續(xù)性監(jiān)測(cè)處于危險(xiǎn)中的嬰兒SpO2值(通過光脈沖血氧濃度計(jì))而設(shè)計(jì)的，用于確定是否因?yàn)椴环€(wěn)定的氣道情況或其他醫(yī)療問題(圖3)而停止呼吸。

如果系統(tǒng)確定SpO2值降至太低，則必須立即進(jìn)行人為干預(yù)，以防止缺氧(包括腦損傷)等嚴(yán)重后果。接著，除了向智能手機(jī)發(fā)送基于藍(lán)牙的警訊之外，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)提供溫和且無害的經(jīng)皮電刺激——這是一種很小的電氣“刺激”，能喚醒嬰兒并重新開始自動(dòng)呼吸。

圖3：這款小型設(shè)備可測(cè)量與呼吸活動(dòng)密切相關(guān)的SpO2值;一旦數(shù)值低于閾值，隨即以微小電流刺激嬰兒，并同時(shí)發(fā)送智能手機(jī)警報(bào)

當(dāng)然，還有許多創(chuàng)新來自于全球各大學(xué)的研究計(jì)劃。例如，耳朵感染的情況十分常見，但卻經(jīng)常被錯(cuò)誤診斷，這一對(duì)/錯(cuò)評(píng)估比約占50/50。事實(shí)上，診斷的依據(jù)多半來自醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)各種癥狀作最后的判斷。誤判主要的原因在于耳內(nèi)觀察用的傳統(tǒng)可見光耳鏡無法深入組織，以顯示鼓膜后積聚的液體。

為了克服這個(gè)問題，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開發(fā)出一種采用短波紅外光(SWIR)而非可見光的新型耳鏡，它能穿透至更深層(圖4)。雖然這比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備更復(fù)雜且昂貴，但與當(dāng)今的電光技術(shù)差異不大，可望提供較標(biāo)準(zhǔn)方法更準(zhǔn)確的評(píng)估。

圖4：耳道的形狀和鼓膜的位置使其難以觀察和評(píng)估位于耳朵另一側(cè)的液體(左)。比較通過標(biāo)準(zhǔn)耳鏡觀察的圖像，以及使用基于SWIR成像系統(tǒng)觀察到的圖像(右)。

醫(yī)療測(cè)試與測(cè)量方面的創(chuàng)新并不只是改善了現(xiàn)有的裝置，同時(shí)也著重于采用新的方法來收集基于傳感器的數(shù)據(jù)并加以應(yīng)用。研究人員采用并結(jié)合超越標(biāo)準(zhǔn)方法的傳感器，并添加信號(hào)處理算法來實(shí)現(xiàn)，從而將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有幫助的看法。隨著這些傳感器的成本及其尺寸與功耗要求降低，而其性能與準(zhǔn)確度持續(xù)提升，測(cè)量諸如壓力、IR、溫度等多項(xiàng)參數(shù)也將成為常見的方法，并進(jìn)一步邁向醫(yī)療級(jí)可穿戴設(shè)備愿景。