可穿戴医用生物传感器的特点及应用（一）

基础介绍

今天，由于各种各样的设施和服务，医疗保健和控制工业发生了重大的变化；这些变化包括更多地强调预防、认识到主要风险、对用户进行适当教育、新的卫生保健方式和人民控制个人健康的权力。这些变化是随着老年人口增加、各种慢性病及其治疗领域等因素的出现而演变的。没有人喜欢看医生(尤其是那些无法通行的地区的居民)；去诊所看病的人不得不在等候室里呆上一段时间，医生往往要花上一整天的时间听病人抱怨他们的健康状况；他们对病人进行快速检查，有时发现不了一些问题。此外，还要考虑到医生的费用和对老年人和慢性病患者持续护理的需要。考虑到科学和技术的重大进展，例如在过去10-15年里在微/纳米技术、无线通信、信息技术和生物医学科学领域出现的基本发展，这一领域发生了转变，设计和建造的各种医用生物传感器模型以及最近可穿戴的生物传感器都清楚地表明了这一事实。事实上，提高医疗保健行业的医疗质量的方法之一就是应用新技术。这些生物传感器为患者、运动员、早产儿、儿童、精神病患者、需要长期护理的人、远离卫生和医疗服务的人提供生命体征监测，对疾病的预防、及时诊断、控制和治疗具有显著效果。这些远程医疗技术的应用之一是为囚犯提供医疗服务，从而减少囚犯转到医疗中心的次数。近几十年来，随着计算机和信息技术的发展，技术的应用导致了许多无线和远程医疗应用的过度发展。

在医疗保健行业的引领下，可穿戴技术市场预计将从2015年的200亿美元增长到2025年的近700亿美元。该行业的增长和发展受到苹果(Apple)、埃森哲(Accenture)、阿迪达斯(Adidas)、富士通(Fujitsu)、耐克(Nike)、飞利浦(Philips)、锐步(Reebok)和三星(Samsung)等公司的推动。先进的信息技术有望产生巨大的影响，因为新的医疗保健和信息技术设备可能带来数十亿美元的机遇。由剑桥 - 加利福尼亚一家社会企业发明的新型婴儿可穿戴设备可能是预防致命或致残疾病的关键，如腹泻，营养不良，疟疾，人类免疫缺陷病毒感染和获得性免疫缺陷综合症（艾滋病毒/艾滋病）等。可穿戴设备在医疗领域的应用仍处于起步阶段，但TrustMarque的研究发现81%的受访者希望在医疗领域更多地使用联网设备。可穿戴设备在医疗保健方面的好处是有目有据的，但也包括远程监控，使患者能够更早回家，以改善他们的舒适度，并减轻人工医院检查的负担。2015年，科技行业的智能可穿戴设备将形成一个巨大而有利可图的市场。至少可以说，这些新设备所采用的技术是创新的。智能技术无疑将成为我们未来社会优化运作的关键，尤其是在医疗保健方面。本研究的目的是解释可穿戴生物传感器在医学科学中的特征和应用。

可穿戴技术使用医用传感器的目的

可穿戴技术可以提供解决方案的一个组成部分，为不断增长的世界人口提供医疗保健，这些人口将受到不断膨胀的人口老龄化的影响。通过提供进行远程医疗的手段 - 监测，记录和传输来自医院外部的生理信号 - 可穿戴技术解决方案可以减轻医护人员的负担，并利用医院空间提供更多紧急或响应性护理。此外，在工人遭受危险或危害的职业中采用可穿戴技术可以帮助他们挽救生命并保护医护人员。

由于可穿戴技术是健康信息学的基石，在本研究中引入了许多可穿戴医用生物传感器及其应用。这些生物传感器有各种形式，如帽子，衬衫，戒指，腰带，手镯，鞋子，袜子，眼镜，隐形眼镜，项链和手表。生物传感器的特点

生物传感器由三个主要部分组成：

1.生物反应器系统。

2.传感器。

3.输出系统。

生物传感器被设计成仅与特定物质起反应，并且该反应的结果以消息的形式出现，可以通过微处理器进行分析。这些生物传感器可以被认为是受体或刺激物；基于传感器的通信系统可以显示，刺激，处理或替代人体生物物理学性能。

远程医用传感器的应用

远程医用传感器是由硅制成的2×2毫米的芯片。这些芯片由热传感器和窄条锂电池组成，需要一点电力来启动电路，处理电子信号并发送它们。嵌入式芯片上的天线通过无线电信号将数据发送到在接收到的命令来发送数据的监视器。应用可以包括血压、心率、体温和血氧水平的测量。引入这种传感器的目的是开发一系列芯片来显示和监测身体活动，并将结果传递给目标医疗中心。通过将远程医疗传感器的芯片放在指尖上，可以记录和发送几个重要参数。它们可以非侵入性地附着在身体的不同部位，并报告结果。


“远程医用传感器操作=识别+记录+发送（传输）”

首先应用远程医疗传感器监测士兵的生命体征并将其从生战区发送到遥控登记中心。它们像粘性物质一样无创地附着在身体的不同部位。此外，他们能够通过无线传输将生理数据发送到另一名士兵帽子上的小型监视器。在这种情况下，如果数据显示五个预定级别之一的物理伤害情况，监视器将发出辅助警报并在最短时间内提供帮助。此外，该监视器能够发送和接收全球定位系统（GPS）的信号，以便快速访问事故地点。

世界面临的主要挑战之一是发达国家人口老龄化的增加。在未来20年，这一人口将增加20％。因此，提供高质量护理和保健服务的需求变得越来越重要。

在这方面，斯蒂尔等人（2009年）在一项名为“老年人对无线传感器网络的认知和接受以帮助医疗保健”的研究中表示，老年人对无线系统的使用不感兴趣，如果他们想学习，他们会很快忘记甚至忘记然后他们害怕使用这项技术。因此，应该为这一群体应用简单的系统，这种系统易于工作并且从社会的角度来看是可接受的。解决这些问题的技术之一是医疗智能衬衫。这些衬衫可能有助于培养老年人的个人独立性；但是，护士不能被他们取代。

Sardini和Serpelloni（2010）在题为“无线健康监测仪器化可穿戴带”的研究工作中提到了配备两个皮肤电极，温度传感器，加速计传感器，呼吸传感器，测量其他生命体征的能力的皮带，心电图，甚至能够根据人们的活动（跑步、走路、休息、摔倒）提供这些有价值的信息。这些皮带可用于测量远程诊断的生理参数，特别是老年人住房的护理管理。

大约二十年前，美国佐治亚理工学院的研究人员为军事目的设计的第一类数字服装之一能够使用织物中的光纤和传感器测量生命体征，心率和呼吸率。这件智能衣物还能够显示子弹在受伤士兵身上的位置。在这件衣服中，光信号从一侧传送到另一侧；如果光没有到达另一边，那就意味着这名士兵受了伤。在这种情况下，光线返回并显示了子弹和衣服的穿孔。

Reinzo（2005）在一项名为“基于纺织品的生命体征监测可用于心脏病患者的可穿戴系统”的研究中提到了由导电织物制成的神奇智能背心，可以在工作和休息时间测量心脏和呼吸频率，然后将信息发送到处理中心。通过这种方式，出院后也可以进行健康检查。

Perego 等（2012年）在题为“智能可穿戴系统的运动监测”的文章中推荐生物传感器应用于持续监测运动员的健康。

Mehr News Agency（2011）引用了Tesan中心研发主任Roso的话说，患者转诊到医疗保健中心会导致每个国家的医疗系统和患者的时间和成本浪费。Tesan公司的研究结果表明，使用智能生物传感器等远程监控可将患者转诊至护理中心的人数减少30％。

在这方面，新闻机构宣布，八个欧洲国家的研究人员在一个名为“Chrinius”的研究项目中为慢性阻塞性肺病（COPD）患者设计了一款智能衬衫。这些衬衫的传感器连接到智能手机，将患者的健康信息传递给医生，并使用智能软件立即分析患者的数据。

Gibbs和Asada（2005）在一篇题为“用于多轴人体关节角度测量的可穿戴导电纤维传感器”，[ 19 ]以及Tognetti（2005）的文章题为“用于分类上肢肢体姿势分类的可穿戴动觉系统”的文章中-stroke Rehabilitation“指的是物理医学和康复中可穿戴传感器的高性能。

此外，在伊朗吉兰省，研究人员成功地使用能够接收身体生命体征的金属纳米粒子设计和制造智能服装。在这种服装中，嵌入了传感器和处理器，通过它们可以接收心率和血液温度等生命体征，并且可以在紧急和危急情况下将所需信息发送给医生。

潘迪安等人（2006）在题为“智能背心：可穿戴多参数远程生理监测系统”的文章中提到衬衫是可清洗的，重量轻，易于移动，这使得它们适用于消防员，士兵，潜水员等职业。矿工和宇航员。

Gyselinckx 等（2007年）在题为“心脏监测的身体区域网络的潜力和挑战”的研究中表示，生物传感器可以在紧急警告中向救护车发送系统数据，例如，当一个人独自遭受中风或心力衰竭时，数据被传送到救护车并减少检查病人的时间。

Leea和Chungb（2009）在一篇题为“基于无线传感器网络的可穿戴智能衬衫，用于普遍存在的健康和活动监测”的文章中指出，智能衬衫提供了一个非常多样化的框架，用于整合分析，监测和数据处理设备。智能衬衫可用于战场，公共安全，健康监测以及运动和健身等应用。该研究指的是智能衬衫中存在加速度计，并在使用不同速度的跑步机时记录心电图信号。

Jam News Science Services援引伊斯兰共和国通讯社（IRNA）的话说，Om-signal T恤是世界上最聪明的衬衫之一。这些衬衫的布料上有传感器，可以定期检查使用者的身体健康状况。这些衬衫显示心率、呼吸、呼吸能力、运动、运动强度、心率变异性和燃烧的卡路里。数据存储在一个小黑盒子里，并被发送到一个程序中，以便用户可以观察他们的身体动态。据研究人员称，这些衬衫不仅可以用于健身锻炼，而且白天也可以在办公室穿；这些衬衫甚至能显示出人们的压力有多大。它们被设计成可以单独穿或与其他衣服搭配。

近年来，研究表明智能服装技术可用于手术室以监测患者。

Dittmar等人(2005)在一项题为“利用纺织品和柔性技术进行动态监测的可穿戴医疗设备”的研究中指出，应用于服装的传感器应该是薄的、柔性的，并且与纺织品兼容，或者使用纺织品技术或具有机械、电气和光学等特定功能的新纤维制成。