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!
2024-07-19
00前言
随着科技的飞速发展,可穿戴设备已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。这些小巧轻便的设备不仅能够提供便捷的信息获取方式,更在健康监测领域展现出了巨大的潜力。2024上海高端医疗设备展Medtec转载本文主要探讨可穿戴设备在血压检测、血糖检测、压力检测以及睡眠质量检测等方面的监测原理,以及相关的传感器技术。
01 健康监测设备里的主要监测信号
目前常见的健康监测设备常见的形态包括手环、手表、指环、贴片等等。这些可穿戴设备主要通过集成多种传感器,能够监测心率、血压、血氧饱和度、睡眠质量、压力水平等生理参数。这些数据对于预防疾病、管理慢性疾病、伴随治疗以及提升生活质量都具有重要意义。常见的主要监测信号包括:心率、血氧、血压、血糖、睡眠质量、温度、压力等。
图:常见的可穿戴健康监测设备监测信号类型
02 不同生理信号的探测原理
1.心率监测原理:
目前来说,心率监测原理有三种:
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图片来源:基于PPG的高准确率低功耗心率监测模块设计_邱慧
典型的反射式PPG传感器原理:图片来源:https://support.coros.com/hc/en-us/articles/4406604073108-How-do-COROS-watches-measure-heart-rate
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2. 血氧监测
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3.血压监测
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4. 血糖监测
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图片来源:《光学无创测量血糖新技术》
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+算法融合的过程。可穿戴设备通过内置的加速度传感器和光电传感器来监测用户的睡眠状态。加速度传感器能够获取用户的体动特征,判断用户是否处于睡眠状态;而光电传感器则通过心率、心电信号来分析睡眠质量。不同探测器分别对采集的心电信号和体动信号进行滤波处理与算法分析,获得睡眠时长、体动次数、心率变化等参数。再通过睡眠分期算法的分析,得出用户的睡眠质量报告。
图片来源:Sleep Monitoring Based on a Tri-Axial Accelerometer and a Pressure Sensor
6. 压力检测
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图片来源:Stress-Lysis: A DNN-Integrated Edge Device for Stress Level Detection in the IoMT
加州大学洛杉矶分校(UCLA)的一个研究团队开发了一种智能手表,能够准确、无创、实时地评估汗液中的皮质醇水平。皮质醇是一种类固醇激素,通常被称为“压力激素”,因为它在身体对压力的响应中发挥着关键作用。当身体或心理受到压力时,无论是急性的还是慢性的,肾上腺会释放皮质醇来帮助身体应对压力。皮质醇水平可以为佩戴者提供压力等生化指标的信息。皮质醇非常适合通过汗液进行测量,通过追踪汗液中的皮质醇,将能够以可穿戴的形式监测这种变化,从而分析用户的精神状态。
图片来源:https://newsroom.ucla.edu/releases/cortisol-sensing-smartwatch
03 可穿戴传感器件
由上面的讨论可以看到,虽然现在的很多穿戴式健康监测产品的产品形态比较多(手环、手表、指环、耳机等),可监测的生物体征信号也较多,但是其直接获取的信号的关键传感器数目和种类相对比较局限,因此探测信号的准确度和可信度明显低于专业医疗设备,因此其提供信息只能用于日常健康监测而不可用于强医疗目的的场景。
目前产品里的心率监测、血氧检测、血压检测都借助PPG传感器、ECG传感器得以实现。皮肤温度等可借助温度传感器实现,体动和运动监测可通过加速度传感器实现。
图片来源:https://doi.org/10.1016/j.jacadv.2023.100267
图片来源:https://doi.org/10.1016/j.jacadv.2023.100267
1.PPG传感器
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心率监测: PPG传感器可以实时监测心率,对于运动训练、健康管理等非常有帮助。
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心率变异性(HRV)分析: 通过测量连续心跳间隔的变化,可以评估自主神经系统的活动。
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血氧饱和度(SpO2)测量: 结合红光和红外光的PPG传感器可以估算血液中氧气的饱和度。
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睡眠监测: 通过监测心率和心率变异性的变化,配合体动检测结果,可以评估睡眠质量和睡眠阶段。
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2.ECG传感器
ECG传感器,即心电图(Electrocardiogram)传感器,是一种用来监测和记录心脏电活动的生物传感器。它能够检测心脏的电信号,并将这些信号转换成图形,以便于分析心脏的健康状况和功能。ECG传感器的工作原理基于心脏细胞的电生理特性。心脏的每一次搏动都是由心肌细胞的电活动引起的。当心肌细胞去极化和复极化时,会产生微小的电信号。ECG传感器通过监测电极检测到由心脏电活动产生的电位差并将信号滤波、放大后结合算法分析得出心率等生理信息。
ECG和PPG虽然都可以获取心脏活动信号,但是其原理不同,ECG主要借助心脏电信号探测,PPG借助光电信号探测。ECG和PPG各有优劣,PPG在形态因素多样性和生物特征多样性方面表现突出。ECG比PPG对于生物电信号的探测速度更快,且不容易收到体表环境和体表差异等因素的影响。因此在心率监测等检测精度上更高。
图片来源:https://www.medicaldesignandoutsourcing.com/sensor-technologies-for-medical-grade-consumer-wearables/
图片来源:https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Difference-between-ECG-sensor-and-PPG-sensor.html
04 健康监测设备的未来发展趋势
图片来源:Sensors2023, 23, 2991. https://doi.org/10.3390/s23062991
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可穿戴形态的多样化
目前主要的可穿戴监测设备主要还是手表居多,未来这一可穿戴设备的形态将向着更多检测位置、更多结构形态发展,比如以戒指,贴片、耳机等形态发展,乃至和部分饰品进行集成,比如集成于眼镜的和耳朵接触的框架处、女性的发夹上、纹身贴片、隐形眼镜上等。
图片来源:Adv. Electron. Mater. 2024, 2300765
2. 柔性可穿戴
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佩戴舒适度高: 柔性材料使其能够贴合皮肤,佩戴舒适,不易引起皮肤不适。 -
可拉伸性好: 可适应人体皮肤的运动和变形,即使在运动或其他身体活动时也能保持良好的测量精度。 -
测量精度高: 更好的和皮肤、组织贴合,能够准确测量心率、血氧饱和度等生理参数。 -
高集成度: 可直接集成到各种可穿戴设备中,例如智能贴片、耳机、指环等,方便用户随时随地进行健康监测。 -
潜在应用广泛: 除了可穿戴设备之外,还可用于集成到手术器械中进行辅助监测。 图片来源:Lee et al., Sci. Adv. 8, eabm3622 (2022)
图片来源:ACS Nano 2023, 17, 20013-20023
3.体液传感器
可穿戴体液检测器是一种新兴的医疗监测设备,它能够通过分析体液(如汗液、唾液、泪液等)来监测和评估个体的健康状况。这些设备通常集成在可穿戴设备中,如智能手表、健康追踪器、智能服装等,为用户提供实时的健康。常见的体液包括汗液、人体组织液(ISF)、唾液等。这一技术还可以结合POCT等发展,实现把穿戴设备往病理诊断等医疗意义的方面更进一步。 图片来源: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 图片来源:https://doi.org/10.1038/s41578-022-00460-x
常见的体液传感器是汗液传感器。可穿戴汗液生物传感器能够实时分析汗液成分,通过汗液中的生物标志物的分析提供有关健康状况的有洞察力的信息。 图片来源:Wearable Sweat Biosensors,2016,IEDM 4. 新型传感器技术 目前可穿戴传感器正向着多样化方向发展,当我们将电化学传感器、力传感器、体液传感器、光电传感器等组合应用后,将会得到更多信息。 图片来源:Sensors 2023, 23, 2991 5. 可摄入生物传感器
2024上海高端医疗设备展Medtec认为从临床意义上说,可穿戴的健康监测设备仅能提供参考信息,不能用于诊断和医疗目的,这是由于可穿戴传感器无法到达体内的一些病变点,不能直接获取疾病关联的直接信息,并且体表可检测的健康指标容易受到干扰。因此可摄入的生物传感器,比图所示的生物传感胶囊(IBC),可以通过胃肠道(GI)接近主要器官,监测广泛的生物标志物,作为有效的临床诊断工具,甚至提供针对性的外科和药物治疗。 图片来源: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/
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https://support.coros.com/hc/en-us/articles/4406604073108-How-do-COROS-watches-measure-heart-rate
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https://doi.org/10.1002/aelm.202300765
- https://www.howequipmentworks.com/pulse_oximeter/
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规范智能可穿戴设备对血压的测量,10.16439/j.issn.1673-7245.2023.05.001
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智能可穿戴设备在中青年血压管理中应用中国专家共识
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https://www.huxiu.com/article/805112.html
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《光学无创测量血糖新技术》
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https://appleinsider.com/articles/18/08/23/apple-patent-suggests-work-on-non-invasive-glucose-monitoring-tech
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基于人体生理信号的睡眠监测系统研究_薛美静
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https://www.unityhealthnetwork.org/news/ultimate-sleep-tracker-guide-navigating-sleep-health-best-tools
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https://newsroom.ucla.edu/releases/cortisol-sensing-smartwatch
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Overview of a Sleep Monitoring Protocol for a Large Natural
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基于物联网的可穿戴式心率、血氧监测系统
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基于PPG的高准确率低功耗心率监测模块设计_邱慧
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Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors
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https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ppg-biosensors-market
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MW-PPG Sensor: An on-Chip Spectrometer Approach
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ACS Nano 2023, 17, 20013-20023。Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu-In-Se Quantum Dot Photodetectors for
Wearable Health Monitoring -
Wearable Sweat Biosensors,2016,IEDM
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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
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Sensors 2023, 23, 2991
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Biocompatible and Long-Term Monitoring Strategies of Wearable, Ingestible and Implantable Biosensors: Reform the Next Generation Healthcare
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https://doi.org/10.1016/j.jacadv.2023.10026
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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/
Sensors2023, 23, 2991. https://doi.org/10.3390/s23062991
文章来源:Semlsee 居家自测Diagnosis