可穿戴设备助“穿出”健康:皮肤之外的皮肤

2014-06-27 18:29:52来源: 新浪科技
    翘首以盼的巴西世界杯已开幕,足球迷们支持自家的球星、球队,可你应该还注意到了另一件事,在2014年世界杯开幕式上,踢出第一球的既不是某位大牌球星,也是什么足协大佬,而是一位瘫痪少年,她借助机械外骨骼和意念控制头盔,书写出这段辉煌的人生里程。那么,她是怎么做到的?这位瘫痪少年是如何站起来并奋力一踢的?我们又如何能够足不出门、更快更全面的就医看病?如何能更加健康地生活?在如今4G网络,物联网传感器异军突起的年代,这些技术又将给医疗设备注入怎样的活力?

  借助它们站起来!

  巴西瘫痪少年如何移动自己原本不受控制的双腿?靠得就是“借助意念(mind-controlled)”技术和“3D打印”技术。3D打印,这个让大家已经不再陌生的技术,即快速成型技术的一种,它以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印通常采用数字技术材料打印机来实现,与传统的纸张二维打印不同,3D打印出来的东西是三维立体的。只要你有足够的原材料,打印汽车、器官都不在话下,甚至还有人用来打印水果!

  在科罗拉多州立大学的Idea-2-Product 3D打印实验室里,研究人员已经开发出了用于控制外骨骼的头盔。头盔上安置的电极对应人头部的不同位置,以帮助他们的大脑更好的与电极沟通。因为头盔必须进行定制,以适合佩戴者的头部,研究人员利用3D打印技术帮助制造头盔的内衬。这个内衬必须能够保护头部和电极,而且要与头盔相匹配。当瘫痪少年想着走路时,电极会将大脑信号传输到一台小型电脑里,这台电脑像一个背包一样背在她后面,由电脑将那些无线指令信号转化成运动。

  穿出你的健康

  这么别出心裁的巴西世界杯开幕式有没有让你流连忘返?那么,依靠智能技术,我们普通人又能享受到哪些医疗便利呢?这就要说到可穿戴式设备了。中国某医疗电子股份有限公司旗下品牌ihealth曾在2014年CES(国际消费类电子产品展览会)开幕前发布了两款可穿戴式医疗设备,分别为动态血压监测仪和可穿戴式脉搏血氧仪。

  1. 动态血压监测仪

  高血压是许多高危心血管疾病的直接诱因。现代社会,老年人往往独守空房,子女无法呵护其左右,更有甚者会出现“白大衣血压”(即出现平时血压正常、见到医生时的血压激增状况)现象。社会迫切需要随身式血压测量设备,可穿戴式血压监测仪应运而生。那么,什么是血压?血压是指血液在血管内流动时,对血管壁产生的单位面积侧压。由于血管分为动脉、毛细血管和静脉,所以就有动脉血压、毛细血管压和静脉压,通常所说的血压指动脉血压。

  血压监测仪是通过传感器来检测人体动脉血管壁震动引起的袖带压力微小变化,最常用的方法是振荡法,其基本原理是利用捆绑在手臂上的袖带,通过充气泵向袖带充气,以阻断血管中脉动的传播,达到一定压力(一般为124~316kPa)后开始放气,当气压到一定程度,血流就能通过血管,且有一定量振荡波,逐渐放气,振荡波愈来愈大,再放气,由于袖带与手臂的接触越来越松,因此,压力传感器所检测到的压力及波动则越来越小,压力传感器就能实时检测到袖带内的压力及波动。而振荡波通过气管传播到机器里的压力传感器,经过相应的放大、滤波电路、模拟/数字信号转换、中央处理器控制等处理环节,将通过袖带传递到气路中的脉动信号和压力信号转换成数字信号,然后经过进一步处理,得出血压的收缩压、舒张压、平均压等数据。这种动态血压监测仪可通过蓝牙、USB连接到移动设备上,将数据上传至医护人员,平时被使用者穿在外面,提供24小时的血压监控。

  2. 可穿戴式血氧饱和度监测仪

  血氧饱和度是血液中氧合血红蛋白(HbO2)容量占全部血红蛋白(Hb)容量的百分比,是呼吸循环中的重要生理参数。许多呼吸系统疾病会引起人体血液中血氧饱和度的降低,严重时会威胁人的生命。那么,这种血氧饱和度监测仪的基本原理是:血液中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见光和接近红外线的频谱范围内具有不同吸收特性,还原血红蛋白吸收较多的红色频率光线,吸收较少的红外频率光线;而氧合血红蛋白较少吸收红色频率光线,较多吸收红外频率光线,这样可以根据人体对红光和红外光线的吸收区别来测定血氧饱和度。

  典型的血氧仪传感器有一对LED,它们通过病人身体的半透明部分(通常是指尖或耳垂)正对着一个光电二极管。其中一个是红光LED,其波长为660nm;另一个是红外线,其波长为940nm,血氧百分比是根据测量这两个具有不同吸收率的波长的光通过身体后而计算得出的。而可穿戴式血氧饱和度监测仪则采用数字/模拟信号转换控制LED双光源交替发光,以光频转换接收头为传感器,将光强信号转换为频率信号,直接送入单片机采集。根据反射式原理计算得到结果,再以无线信号发送数据。有些血氧饱和度监测仪还针对动态环境下获取的干扰进行消除计算处理,使得血氧饱和度数据更加精确。

  美国SPOMedical公司曾推出一款“血氧手表”,可以在睡眠过程中监测使用者的血氧饱和度,从而降低患有睡眠窒息症者在夜间出现呼吸阻碍的危险。而iHealth这款可穿戴式血氧饱和度监测仪更加便捷,它可持续监控用户的血氧饱和度和脉搏率,配备了指尖传感器,并连接到腕部设备,可以监测用户在每日正常活动中或夜间的血氧饱和度。

  我是件T恤衫,但我不仅仅是件衣服

  如果大家觉得使用这些监测仪、无线设备还是太麻烦,那么现在有更加简便的——T恤衫。以以色列医疗健康创业公司的HealthWatch为例,其智能T恤衫中内置了心电图传感器(ECG),它具备3~15道心电图机的功能。通常情况下,病人只有在接受12道心电图机的检查环节后,医生才能正式确定病人是否患有心脏病。而从病人汇报病情到接受检查,往往需要花上不少时间。如果病人穿上这种智能T恤,心脏病医生就能接收到T恤实时发送的心电图数据。如此一来,医生就能及时、准确了解病人的情况,以便及时给出治疗方案。如此神奇的T恤衫还能用机洗烘干,该T恤衫内置了一个电子部件,可存储长达70个小时的数据或将数据以无线信号传输到安卓智能手机中。当然,用户在对这种T恤衫进行洗涤之前,首先需将该电子部件取出。而且,T恤衫至少可以洗涤50次而不损坏。

  而OMsignal公司研制出的智能T恤衫除了能够追踪人体的生命体征外,还能记录人体的热量消耗与压力水平。这样就免除了佩戴智能腰带、手带等设备的烦恼。毕竟,我们都得穿衣服出门呀。其实,它的作用原理也很简单。智能T恤衫由光纤和导线编织而成,内置微型传感器。嵌入织物中的传感器可以在穿着者的日常活动中记录30多个心肺生理参数。其中,利用感应容积描记法,通过向内嵌于外衣胸部和腹部位置的正弦排列导线阵列连续发射高频低强度电流来监测呼吸状况;利用采集的单通道心电信号来计算心率;通过三维加速度计感知人体的体位和身体活动情况。这种智能T恤衫可以连接其他外围设备,还可以测量血压、血氧饱和度、体温和皮肤温度。这些由测量得出的数据传输到互联网电子数据处理中心,处理结果将以简报或高分辨率波形图的形式提交给医生,以便医护人员随时监控使用者的健康,做出准确的诊断。

  皮肤之外的皮肤

  在上述各种令人耳目一新的可穿戴式设备中,都有一个关键装置——传感器。它可以感受外界情况的变化,比如冷暖、快慢,并作出相应的反应,就像我们的皮肤一样。传感器根据各自原理,可分为压阻式传感器、压容式传感器、压电式传感器等。而传感器与纺织技术结合后发展成为电子织物技术,其中用得较多的是压电式传感器和光纤。普通传感器如电阻或电容传感器的性能受材料(或结构)力学滞后性和电滞后性影响,与电线或相关传感器相比,光纤不仅不生热,而且对电磁辐射不敏感,不受放电现象影响,所以应用更为广泛。

  电子织物中的传感器、执行器、电子元件、电源等部件的功能可以通过两种方法实现,一种是将传统传感器,如微控制器、发光二极管、光纤和压电传感器等集成到布料中,另一种是开发基于有机材料,即电活化聚合物(EAP)的装置。新纺织技术(如将金属丝编织到织物中)的发展加速了采用第一种方法制成的电子织物在电连接、数据通讯和供电等方面的应用。那么,在感受不同信号时,需要不同传感器,例如聚合亚乙烯基氟化物,它的压电系数为24~27pC/N,是一种最常用的压电聚合物。它能够检测颈动脉和桡动脉处的脉搏、心尖脉搏和声音。

关键字:可穿戴设备  设备  健康  皮肤

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/0627/article_4846.html
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