可穿戴的医学仪器研究

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可穿戴医学仪器研究:

可穿戴医学仪器研究 HSK 深圳研发中心 201102

穿戴式技术概念:

穿戴式技术概念 顾名思义,所谓穿戴式在医学领域的应用是将体征信号检测系统 " 穿 " 在或 " 戴 " 在身上,即将生理信息检测技术和人们日常穿戴的衣物、饰品相融合。研究者将集成医学传感器的设备做成戒指、手表、衣物等形状,使佩戴者或者穿着者感到方便与舒适的同时,检测到他们的体征参数。 另外,系统可以通过无线传输手段随时发送检测到的数据,经过分析处理后与 Internet 相连接,以便监护中心及时了解所观测对象生理系统的最新情况。

穿戴式医学仪器的形态:

穿戴式医学仪器的形态 穿戴式医学仪器中的传感器一般被整合为 智能戒指 / 手套 / 腕带 和 智能衣 (SmartShirt)/ 胸带 两种形式。前者的优势在于测量方便、易于携带、成本低,后者的优势则在于可以测量更多种类的体征信号。将这两种形式结合起来,就能构成一套完整的穿戴式医学仪器。心电、体温、肌电信号使用两种形式都可以测量到,脉搏、血压能通过智能戒指 / 手套 / 腕带形式测量,呼吸、体位信号能采用智能衣 / 胸带形式测量。由于心率和呼吸率可以从心电信号中分析提取,因此它们通过这两种形式都可以得到。

相关技术研究状况:

相关技术研究状况 穿戴式医疗仪器是指穿着或佩戴在人体上,能长时间动态监测生理和物理信息的装置。近年来相关技术及应用在国际上引起了较大的关注。特别在美国、欧盟等发达国家,投入了大量资金。目的是在不影响人的正常活动的情况下,实现人的身体状态监测。上世纪 90 年代中后期以来,美国军方,包括陆军、海军、空军都开展了有关研究项目。本世纪来,欧盟及欧盟国家资助了许多研究项目。

民用领域:

民用领域 为个人健康监测、疾病预防和控制、康复、运动提供个体化服务。 欧盟信息委员会 eHealth 项目官员 Andreas Lymberis 博士综述文章( Intelligent Biomedical Clothing for Personal Health and Disease Management:State of the Art and Future Vision , 2003 年)指出:穿戴式生理参数检测技术是潜在的经济有效的疾病和健康管理手段,可用于疾病预防和监测,病后恢复,日常运动、营养、体重控制、压力处理、治疗等方面;通过长期检测的趋势分析 , 预测可能的急性发作,通过远程连接快速诊断 , 减少发病到救治的时间,降低院外心脏病人的死亡率。

智能戒指/手套/腕带 :

智能戒指 / 手套 / 腕带 美国麻省理工学院 (MIT) 研制出了使用戒指型传感器来测量脉搏容积 (PPG) 信号、血氧饱和度、脉搏和心率的仪器,可以长期佩戴而不会引起任何不适感。 有的实验室则利用戒指型传感器测量肌电图 (EMG) 。 不过从手指上可以测到的体征参数毕竟有限,为了同步测量多种生理参数,研究者拓展智能戒指的功能,制成了智能手套。智能手套可以同时从手指、手掌和手腕等处提取生理信号。法国研制的智能手套可以检测瞬时心率、瞬时呼吸率、皮肤导电性、皮肤电势、皮肤温度、皮肤血流等六种参数来评价自主神经系统的活动性,其中皮肤导电性信号取自食指和中指,皮肤血流和皮肤温度信号取自手掌,皮肤电势信号取自手腕和手掌。 韩国研制的另一种智能手套则可以同时测量脉搏容积、皮肤响应以及皮肤温度等三种参数来测评自主神经系统。 一个电极置于袖带内侧与左手相联,另一个电极置于袖带外侧,测量时将右手置于外侧电极即可;血压测量模块为腕式充气式的;血氧传感器为戒指型;体温传感器放置在手腕处袖带内侧,其表面接触皮肤 。

智能衣/胸带 :

智能衣 / 胸带 智能衣的概念是基于乔治亚理工大学的 GTWM(TheGeorgiaTechWearableMotherboard) 模型提出的,其外观一般为整合了多种生理信息传感器的衬衣或者胸带。智能衣集监测、诊断、治疗以及通讯等功能为一体,穿在身上可以实现生理信息的实时获取、分析和传输。智能衣的典型应用还包括美国的 LifeShirt(www.vivometric.com/) 、 Lifeguard(lifeguard.stanford.edu) 和欧洲的 WEALTHY(www.wealthy-ist.com/) 、 VTAMN(www.medes.fr/VTAMN.html) 等。 以 WEALTHY 为例。 RitaParadiso 博士等人研制的这一穿戴式健康监护系统将小巧的传感器、便携的设备和远程通讯技术综合在一起,同时加入了智能决策支持系统,其目的是连续监测病人或者在消防、军事等特殊环境工作人群的体征信号,而不会引起使用者的任何不适。该系统的特点是将干电极放入织物内部,测量时将放置有电极的衣服穿在身上即可。 我国在智能衣的研究上也取得了突破。为了动态监测飞行员的生理参数,中国人民解放军空军航空医学研究所研制完成了一体化动态生理参数检测装置,将多导联心电电极、胸部和腹部呼吸传感器、体表和腋下温度传感器、红外线传感器、加速度传感器等集成在胸带或者衬衣内,可长时间记录监测和无线实时传输心电图、心率、呼吸、过载、体位以及体表温度等信号或者参数。该系统没有外部电极和连线,无须使用导电膏,对使用者的活动影响很小。

中国军方装备:

中国军方装备 空军航空医学研究所开发的项目。 项目源于 2001 年开始研制的航卫保障装备 — 飞行员飞行生理参数记录检测仪。设计并实现了穿戴式( wearable )生理参数检测设备,满足了飞行员空中检测的需求。 2003 年经总后列装定型,已装备我军航空兵部队。 动态多参数生理检测仪增加了心电检测的导联数, 2005 年经过国家相关部门检测批准上市。

中国空军装备监护胸带:

中国空军装备监护胸带

美国海军1996年开始,就同SensaTex 公司合作,研制称为SmartShirt的士兵生理参数监测服装。 :

美国海军 1996 年开始,就同 SensaTex 公司合作,研制称为 SmartShirt 的士兵生理参数监测服装。

美国陆军单兵系统——未来勇士系统FFW (Future Force Warrior)中的士兵生理状态监测系统 WPSM(Warfighter Physiological Status Monitoring),2000年来开展了多项研制工作 :

美国陆军单兵系统 —— 未来勇士系统 FFW (Future Force Warrior )中的士兵生理状态监测系统 WPSM ( Warfighter Physiological Status Monitoring) , 2000 年来开展了多项研制工作

欧盟eHealth项目WEALTHY,2002-2005:

欧盟 eHealth 项目 WEALTHY , 2002-2005

法国政府资助项目VTAMN :

法国政府资助项目 VTAMN

Philips 公司研究项目:

Philips 公司研究项目

美国VivoMetrics公司产品LifeShirt 2000年 :

美国 VivoMetrics 公司产品 LifeShirt 2000 年

穿戴式监护仪存在的问题 :

穿戴式监护仪存在的问题 虽然开展的研究项目较多,但可应用和产品化的项目较少,主要问题在实用性方面存在问题,某些研究采用的技术目前还达不到应用的要求,一些研究的结果在功能、性能、结构、适用对象等方面不能满足实际要求。

穿戴式技术未来发展趋势:

穿戴式技术未来发展趋势 今后这项技术将主要围绕四个方向进行改进和完善,分别为: (1) 穿戴式医学传感器的种类多样化; (2) 穿戴式医学仪器的微型化、便携性; (3) 生理信号分析处理的精确性、实时性; (4) 个性化、智能化的闭环控制(服务平台)等。 相信在信息技术、生物工程以及新材料科学的发展推动下,穿戴式技术在远程医疗领域将会得到更广泛的应用,最终推动整个系统的发展,使其真正走进社区和家庭。

穿戴式生理参数检测装置的组成 :

穿戴式生理参数检测装置的组成

穿戴式生理参数检测装置实现方式 :

穿戴式生理参数检测装置实现方式

三 结构和原理 :

三 结构和原理 设计思想: 针对应用的需求,我们采取了在技术上与可实现的条件相适应,在结构上与使用环境相适应、在性能指标上与基本需求相适应的以应用为目标的设计原则。 在结构设计上解决了使用的舒适性和可靠性 , 信号检测性能等问题。在电路设计上 , 解决了系统的功耗、体积、可靠性等问题。实现了一体化胸带方式的可穿戴式生理参数检测技术。

结构 :

结构 穿戴式一体化生理参数检测结构。全部电极、传感器、电子元器件集成在可穿戴的胸带中,没有外部连线。使用时佩带在胸部 , 与皮肤接触 , 实现多生理参数 ( 心电图、呼吸波、体表温度 ) 与身体姿态(体动、体位)同步检测记录。

检测方式 :

检测方式 心电图 近似胸部 I 导联(波形和 V5 近似)心电图 ,; 呼吸波 压力传感器检测胸廓变化 ; 体表温度 温度传感器检; 测胸部皮肤的温度 ; 人体姿态 ( 体动、体位 ) 三轴向加速度传感器 (Gz 、 Gy , Gx) 检测人体的载荷、体动、体位、姿态。

四 功能和性能 :

四 功能和性能 主要技术指标 : 单导联心电图、两路呼吸、体表温度、 XYZ 三轴姿态 心率的检测 范围: 20 ~ 200 次 /min ,误差: ≤ 3 次 /min 呼吸率的检测 范围: 1 ~ 60 次 /min , 误差: ≤ 2 次 /min 体表温度的测量 范围: 30 ~ 42℃ ,误差: ≤ 0.2℃ 体动的测量 范围: -9 ~ 9G ,误差 : ≤0.3G 工作时间:连续记录≥ 48 小时。

主要软件分析功能 :

主要软件分析功能 心率、呼吸率、体表温度的计算; 心律失常和 ST 段检测; 心率变异性分析; 加速度、姿态、姿态的计算; 加速度、姿态、姿态与生理参数同步分析;

五 主要特点 :

五 主要特点 使用方便,佩带简单舒适,隐蔽性好,不影响日常生活、工作、运动等活动。 生理、活动、环境参数的同时监测,使人的生理参数的变化与状态和外界的影响相关联。 HOLTER 分析心电图时,不能观察到可能引起心电图变化的身体姿态、体动强度和体位的情况。而胸带式则可以将心律失常、 S-T 段位移段事件与身体姿态、体动和体位相关联。

HSK深圳研发中心对心率监护胸带的研究进展:

HSK 深圳研发中心对心率监护胸带的研究进展 2010 年 1 月启动了心率监护胸带的预研工作。 2010 年 9 月研发成功心率监护胸带一体概念机 ECG1000 。 2010 年 10 月研发成功心率监护胸带 ECG2000 ,支持 GPRS 远程监护,和 HSK 后台监护系统对接成功。 2010 年 10 月启动了胸带对 iPhone 和 iPad 的支持的研究。 2011 年 2 月研发成功心率监护胸带分体机 ECG3000 。 2011 年 2 月开始研发支持 RF 方式的胸带。

深圳研发中心胸带式心率监护仪研发路线图:

深圳研发中心胸带式心率监护仪研发路线图 启动预研 概念机 一体机 分体机(可配合爱心宝和其他智能手机)

2010年2月的心率胸带概念机ECG1000:

2010 年 2 月的心率胸带概念机 ECG1000

2010年9月远程监护的胸带ECG2000:

2010 年 9 月远程监护的胸带 ECG2000 远程实时监测功能 (GPRS 发送心电 72 秒片段 ) 已经能和目前的 HSK-BOSS 后台对接。

胸带ECG-3000:

胸带 ECG-3000 心电传感器和监护主机分离,佩戴更加方便,支持更长的监护时间。

胸带的后台监护界面(心电、呼吸、人体姿态联合分析):

胸带的后台监护界面(心电、呼吸、人体姿态联合分析)

Slide 32:

心率胸带的监护界面 -1

Slide 33:

心率胸带的监护界面 -2

Slide 34:

心率胸带的监护界面 -3

佩戴的测试结果:

佩戴的测试结果 为了测试佩戴的舒适度和抗干扰能力,我们进行了连续佩戴测试,佩戴好以后,继续正常的生活方式(开车,走路,上班,吃饭,睡觉等)。连续 48 小时过后,把记录在里面的数据导入电脑进行分析。通过分析发现,有效数据是 99.91% ( QSI=0.09 ),也就是说不可分析数据(一般是干扰带来的)只有 0.09% 。这个已经比采用传统的电极片方式佩戴还要好一些了。从道理上分析,应该是我们把心电传感器尽量贴近身体,把心电信号在传输过程中的干扰降低的缘故。 佩戴后对皮肤没有任何不良后果。

六 后续研发内容:

六 后续研发内容 心律胸带的产品化开发。 开发测试精度更高的心律异常抓取算法。 支持更长时间的监护(待机一个月)。 新的软件分析功能如睡眠分析、运动能耗计算、紧张度分析等功能正在开发。 增加跌倒探测算法和跌倒报警。 可以通过蓝牙和智能手机连接产品正在开发调试中。 增加多参(血压、血氧等)监护。

Slide 37:

未来将重点增加对 iPhone 、 iPad 的支持(趋势所在)

Slide 38:

Thanks ! HSK 深圳研发中心 201102

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