技术融合使非侵入式可穿戴医疗设备化为现实

过去一年来，我们已经在各种可穿戴设备和个人健康/健身设备上看到大量的活动了，预计未来还将出现更多。这些小型设备能够追踪脉搏与呼吸、心脏波形、血氧浓度(SpO2)等等。

然而，在这些有益身心的医疗和健身设备备受关注之余，可别模煳了该领域的更大视野。业界工程师、研究人员和科学家正致力于结合各种先进的传感器类型和技术，以及复杂的模拟和数字信号处理，期望为各种医疗问题提供新的见解，并以低(或无)风险的非侵入方式实现目标。根据最近的一些报导指出，近期的原型产品或测试评估阶段即透露出这种技术融合的发展态势，无论是声誉卓着的设计竞赛或大学研究，均展现其中一些设计开发的特性与复杂度。

例如，测量血压通常至关重要，并且有许多完全自动化的单元：它们为压脉带充气、释放压力、再从压脉带捕捉输出信号，然后采用信号处理算法，在收缩压和舒张压获取所需的结果——由于必须考虑到压力信号范围、信号上无法避免的非电杂讯以及其他失真，这可不是个简单的任务。此外，还得注意到连续即时测量血压而无需停止、充气和放气的挑战等，但这对持续监测是十分有帮助的。

这正是Bold Diagnostics在‘Create the Future 2016’竞赛中克服的挑战，并因此脱颖而出成为该竞赛的赢家。该公司的连续可穿戴血压计设计由于考虑到主动脉弧的解剖结构导致固有延迟的事实，因而采用差分脉冲到达时间(Differential Pulse Arrival Time;DPAT)技术，让心脏收缩产生的脉搏波在到达左臂之前先到达右臂。

到达时间的差异即为血压指标(图1)。相较于控制测量，利用这种方法据称能够在DPAT方法和传统的血压测试测试方式之间达到±5 mm Hg的强相关。

图1：DAPT利用左右手臂测量心脏脉搏到达时间的微小差异，作为压力的函数，以及血液从每一路径行进至另一路径之间不同传送距离的结果

图2：基于DPAT方法的受控测试结果显示相当接近采用标准方法的收缩和舒张读数

另一项有趣的获奖产品是Apnosystems婴儿护理系统(ICS)。这款婴儿治疗用的小型穿戴式系统是专为连续性监测处于危险中的婴儿SpO2值(通过光脉冲血氧浓度计)而设计的，用于确定是否因为不稳定的气道情况或其他医疗问题(图3)而停止呼吸。

如果系统确定SpO2值降至太低，则必须立即进行人为干预，以防止缺氧(包括脑损伤)等严重后果。接着，除了向智能手机发送基于蓝牙的警讯之外，系统还会自动提供温和且无害的经皮电刺激——这是一种很小的电气“刺激”，能唤醒婴儿并重新开始自动呼吸。

图3：这款小型设备可测量与呼吸活动密切相关的SpO2值;一旦数值低于阈值，随即以微小电流刺激婴儿，并同时发送智能手机警报

当然，还有许多创新来自于全球各大学的研究计划。例如，耳朵感染的情况十分常见，但却经常被错误诊断，这一对/错评估比约占50/50。事实上，诊断的依据多半来自医生的经验并根据各种症状作最后的判断。误判主要的原因在于耳内观察用的传统可见光耳镜无法深入组织，以显示鼓膜后积聚的液体。

为了克服这个问题，美国麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种采用短波红外光(SWIR)而非可见光的新型耳镜，它能穿透至更深层(图4)。虽然这比传统的标准设备更复杂且昂贵，但与当今的电光技术差异不大，可望提供较标准方法更准确的评估。

图4：耳道的形状和鼓膜的位置使其难以观察和评估位于耳朵另一侧的液体(左)。比较通过标准耳镜观察的图像，以及使用基于SWIR成像系统观察到的图像(右)。

医疗测试与测量方面的创新并不只是改善了现有的装置，同时也着重于采用新的方法来收集基于传感器的数据并加以应用。研究人员采用并结合超越标准方法的传感器，并添加信号处理算法来实现，从而将这些数据转换为有帮助的看法。随着这些传感器的成本及其尺寸与功耗要求降低，而其性能与准确度持续提升，测量诸如压力、IR、温度等多项参数也将成为常见的方法，并进一步迈向医疗级可穿戴设备愿景。