互聯(lián)式可穿戴醫(yī)療設(shè)備的主流趨勢與設(shè)計(jì)

作者：莫仕戰(zhàn)略醫(yī)療營銷經(jīng)理ANTHONY KALAIJAKIS

我們生活在一個(gè)以數(shù)字方式整合在一起的互聯(lián)世界上。從我們使用的智能手機(jī)、智能手表及其他智能設(shè)備看來，這一趨勢的發(fā)展永不會(huì)止步。這個(gè)道理也同樣適用于眾多的行業(yè)與應(yīng)用，但在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域尤為明顯——預(yù)計(jì)該市場到2025年將達(dá)到4326億美元的規(guī)模。1

隨著互聯(lián)健康這一概念的興起，傳感器以越來越快速的步伐來使能各種可穿戴設(shè)備之類的醫(yī)療設(shè)備，這在很大程度上是由新冠病毒病引起的全球性危機(jī)以及醫(yī)療服務(wù)提供商在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)方面不斷加大投入所促成的。2不僅可穿戴醫(yī)療技術(shù)的采用量出現(xiàn)了上升，經(jīng)過了微型化、人工智能優(yōu)化并且整合了3D打印的設(shè)備的使用量也有所增長。

醫(yī)療設(shè)備制造商面臨著顯著縮小設(shè)備尺寸并減輕設(shè)備重量的挑戰(zhàn)，與此同時(shí)仍然需要為其提供最大的功率，并將延遲降到最低程度。在診斷、治療及患者監(jiān)護(hù)的技術(shù)形態(tài)方面，他們必須分外的認(rèn)真考慮下一代醫(yī)療設(shè)備中日益縮小的空間，與此同時(shí)還要將患者的舒適度、便利性及易用性作為優(yōu)先考慮。

互聯(lián)設(shè)備形態(tài)上新興的技術(shù)進(jìn)步

診斷、治療和醫(yī)療監(jiān)護(hù)的形態(tài)為互聯(lián)式可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展搭建起了舞臺(tái)。我們來分別了解一下這三個(gè)主要的互聯(lián)設(shè)備形態(tài)中新興的技術(shù)進(jìn)步，然后探索設(shè)備制造商們需要加以整合、從而不斷向前發(fā)展的主要設(shè)計(jì)考慮。

診斷——連續(xù)并主動(dòng)

患者的醫(yī)療之旅始自準(zhǔn)確的診斷，因?yàn)檫@會(huì)為后續(xù)的醫(yī)療決策提供相關(guān)的信息。常見的診斷形態(tài)包括血管造影術(shù)、超聲波檢查法、常規(guī)放射線攝影術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、骨骼掃描，以及核磁共振成像(MRI)。這些診斷模式都需要規(guī)模龐大、無比復(fù)雜而且價(jià)格高昂的系統(tǒng)，往往需要幾天的時(shí)間才能獲得結(jié)果，因此要求患者進(jìn)入到醫(yī)療設(shè)施當(dāng)中，而且，與病人通常居住的地方相比，醫(yī)院環(huán)境下的出錯(cuò)率也要高得多。2

醫(yī)療診斷技術(shù)正在演變，從反應(yīng)式治療轉(zhuǎn)向疾病與障礙的預(yù)防和主動(dòng)診斷。由于醫(yī)療系統(tǒng)正從按服務(wù)收費(fèi)的模式轉(zhuǎn)向受管理提供商的模式，目前的關(guān)注點(diǎn)愈發(fā)從數(shù)量轉(zhuǎn)移到了質(zhì)量上去。此外，患者本身也希望在自己的健康管理方面獲得更多的掌控與洞見。對(duì)于這些轉(zhuǎn)型來說，下一代的醫(yī)療診斷是一個(gè)關(guān)鍵的使能因素。然而，為了使診斷在醫(yī)療過程中發(fā)揮更重要的作用，那就必須首先做到更加連續(xù)的診斷。促成了智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的各式創(chuàng)新成果，同樣使這種走向“連續(xù)診斷”的趨勢成為了可能。從可以取代聽診器或者監(jiān)控帕金森病患者步態(tài)的應(yīng)用，到連續(xù)監(jiān)測血糖水平(CGM)的附加設(shè)備，技術(shù)在實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷革命的過程中已經(jīng)被證明具有不可或缺的作用。

除了采用可生物降解材料制成的植入式傳感器以外，制造工藝上的突破現(xiàn)在還可以實(shí)現(xiàn)價(jià)格低廉、甚至是一次性使用的傳感器。這類傳感器的厚度可以達(dá)到近乎一張貼紙的程度，附著到患者的皮膚上，通過腦電圖(EEG)、心電圖(ECG)、脈搏血氧飽和度監(jiān)測法和皮膚電反應(yīng)來連續(xù)監(jiān)測生物信號(hào)。這些傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可通過近場通信(NFC)之類功率極低的技術(shù)傳輸?shù)竭B接在患者衣服上或者作為智能手表而佩戴的接收器上，藉此把數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)師的數(shù)據(jù)門戶，或者利用藍(lán)牙或WiFi之類功率更大的無線技術(shù)直接上傳到云。

診斷設(shè)備與新型的柔性傳感器、能量采集硬件和人工智能結(jié)合到一起后，可以凝聚成堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使連續(xù)的醫(yī)療診斷成為現(xiàn)實(shí)。這一趨勢很快就會(huì)使患者能夠全天候的監(jiān)測自身的健康狀況，可實(shí)現(xiàn)之前只有昂貴的醫(yī)院級(jí)設(shè)備才能達(dá)到的精度與細(xì)節(jié)水平。

治療——按需治療

人們對(duì)于家用醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)的接受，正在促使著這類設(shè)備不斷拓展，同時(shí)提供醫(yī)療救助的功能，使療法從醫(yī)院臨床環(huán)境逐步轉(zhuǎn)移到患者一方的生態(tài)體系中去。

圖1：診斷、治療和醫(yī)療監(jiān)護(hù)的形態(tài)為互聯(lián)式可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展搭建了舞臺(tái)。

正是由于智能手機(jī)、價(jià)格低廉而又對(duì)消費(fèi)者友好的硬件以及下一代軟件算法上的進(jìn)步，現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提供的治療方法，而無需醫(yī)療專業(yè)人員在場。隨著“互聯(lián)健康”這一運(yùn)動(dòng)的到來，未來的患者將能夠不論何時(shí)何地，在需要時(shí)即可立即獲得醫(yī)療救助。治療和監(jiān)護(hù)形態(tài)的融合，使得患者重拾生活時(shí)光，以自己的方式好好地生活下去，而不再需要圍繞著治療而生存。

治療學(xué)包含了一大組形形色色的技術(shù)與方法。值得注意的一些治療形態(tài)包括了電刺激，例如經(jīng)皮電神經(jīng)刺激、干擾電以及深部腦刺激(DBS)，對(duì)于帕金森病患者、甚至是老年癡呆癥患者的治療來說，電刺激本質(zhì)上就是一種“腦部起搏器”。多項(xiàng)頂尖的技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展之中。例如，溫?zé)岑煼ê屠鋬霪煼ㄖ惖臒岑熢谥委熫浗M織和肌肉骨骼損傷方面會(huì)發(fā)揮一定的效果。藥物釋放系統(tǒng)預(yù)計(jì)會(huì)極大的擴(kuò)展已有數(shù)十年歷史的胰島素泵和霧化器之類的技術(shù)。舉例來說，對(duì)于深受睡眠呼吸暫停困擾的人群，CPAP（持續(xù)氣道正壓通氣）設(shè)備一直以來都是醫(yī)囑的治療方法。然而，由于技術(shù)微型化和材料科學(xué)上的進(jìn)步，這類笨重的機(jī)器正在讓路給可植入技術(shù)。這些技術(shù)進(jìn)步同樣會(huì)促成新的植入式治療方法，適合下一代的起搏器和神經(jīng)調(diào)節(jié)療法使用。進(jìn)入榜單的有基于超聲、激光、甚至是機(jī)器人硬件的療法，適合外科手術(shù)、物理治療及家庭老人看護(hù)使用。

來自患者監(jiān)測和治療器械的遙測技術(shù)數(shù)據(jù)，將會(huì)通過智能手機(jī)或其他無線連接方式回傳給它們的醫(yī)療提供商。然后醫(yī)生會(huì)根據(jù)需要，通過遠(yuǎn)程方式調(diào)整每位患者的治療方案。最后，有越來越多的療法也都會(huì)成為非侵入的治療方式。經(jīng)皮注射（通過皮膚吸收來遞送有效成分）、自然孔道輸送和微創(chuàng)放射療法都已準(zhǔn)備就緒，將使這一理念成為現(xiàn)實(shí)。

醫(yī)療監(jiān)護(hù)——一體機(jī)

患者得到準(zhǔn)確的診斷、并且規(guī)定好了治療處置方式后，醫(yī)療監(jiān)護(hù)對(duì)于了解人體如何對(duì)各種療法作出響應(yīng)、保持依從性以及減輕疾病或其他身體不適產(chǎn)生的影響來說，都具有至關(guān)重要的作用。

圖2：健康跟蹤設(shè)備上的新式心電圖功能允許佩戴者檢測心房顫動(dòng)情況。

從早期的機(jī)械式計(jì)步器到數(shù)字式的智能手表，當(dāng)今的技術(shù)已經(jīng)開始將越來越多的功能整合到一臺(tái)設(shè)備當(dāng)中，對(duì)于遭受著慢性疾病困擾的高風(fēng)險(xiǎn)患者群體來說，這類技術(shù)存在著特殊的價(jià)值。例如，可穿戴的心電圖監(jiān)測儀和血壓監(jiān)護(hù)儀現(xiàn)在還可以跟蹤人體的生命體征，一次存儲(chǔ)多達(dá)100個(gè)讀數(shù)。更加靈敏的監(jiān)測系統(tǒng)，比如說患者身上佩戴的貼片，可收集心率、體溫等等廣泛的生命體征。血糖監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)在使得糖尿病人能夠隨時(shí)隨地監(jiān)測自身的血糖水平。健康跟蹤設(shè)備上的新式心電圖功能允許佩戴者檢測心房顫動(dòng)情況，對(duì)于有心臟病史的人來說，這些設(shè)備生成的數(shù)據(jù)具有生死攸關(guān)的重要性。

生物傳感器技術(shù)的進(jìn)步可以實(shí)現(xiàn)以無線纜或者無線的方式進(jìn)行連接，而且重量輕的令人難以置信，從而將患者從笨重的設(shè)備當(dāng)中解放出來——同時(shí)保持較低的成本、簡單易用，并且在使用后可丟棄。柔性電路、低功率傳感器及印刷天線使得便利而又舒適的醫(yī)療監(jiān)護(hù)硬件可固定到患者身上，甚至植入到患者體內(nèi)。這種監(jiān)測用硬件甚至可以利用智能手機(jī)或其他無線互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)來接入到基于云的服務(wù)，從而將患者健康監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云。

醫(yī)療設(shè)備3個(gè)最重要的設(shè)計(jì)考慮

在醫(yī)療設(shè)備技術(shù)方面，為診斷、治療和醫(yī)療監(jiān)護(hù)的形態(tài)提供支持的最新發(fā)展成果，明顯即將為互聯(lián)健康的生態(tài)體系帶來翻天覆地的巨大變化。

醫(yī)療設(shè)備的制造商將會(huì)越發(fā)承擔(dān)一個(gè)任務(wù)，那就是設(shè)計(jì)出小巧不起眼的設(shè)備，在保持靈活性、輕便性和舒適性的同時(shí)，還可在患者與醫(yī)療提供商之間實(shí)時(shí)的發(fā)送數(shù)據(jù)。為了克服可能妨礙到傳輸拯救生命的數(shù)據(jù)的種種障礙，在進(jìn)一步對(duì)設(shè)備進(jìn)行微型化的同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮優(yōu)化各組件占用的空間。他們必須解決如何在印刷電路板容量有限的情況下為這類設(shè)備供電的問題，與此同時(shí)還要提升信號(hào)的完整性。這里有三個(gè)不容忽視的最重要設(shè)計(jì)考慮：

圖3：透明電導(dǎo)傳感器，例如莫仕的PEDOT，具有極高的靈活性并含有半透明的電路，可在曲面上實(shí)現(xiàn)鍵盤的背光功能，適合電容式的用戶接口面板使用。

1.組件和空間優(yōu)化。在醫(yī)院以外的環(huán)境下監(jiān)測患者數(shù)據(jù)時(shí)，與龐大而又笨重的醫(yī)療設(shè)備相比，患者身上的可穿戴設(shè)備應(yīng)當(dāng)更加的緊湊。由于這類可穿戴設(shè)備尺寸更小，因而需要更加小巧的組件才能保持功率輸出，并且實(shí)現(xiàn)將傳感器集成到設(shè)備當(dāng)中之類的技術(shù)。由于要縮小體積，隨著印刷電路板上的空間愈發(fā)的受到局限，設(shè)計(jì)人員必須考慮優(yōu)化空間的問題?？紤]到目前市場上存在的更新型的微型連接器以及其他可以定制的傳感器，設(shè)計(jì)人員將能夠良好解決這些空間限制上的問題。繞過空間限制這一模塊化問題的另一條途徑，就是采用柔性電路，通過微型化的組件來提高設(shè)備的功能性。

2.柔性電路集成。盡管設(shè)備的尺寸和體積在不斷縮小，但其功能卻日益的豐富多樣。醫(yī)療設(shè)備發(fā)揮功能所需的復(fù)雜電子系統(tǒng)還需要容納額外的組件，從而通過實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)連接，將對(duì)患者友好的接口與醫(yī)療提供商連通起來。這類技術(shù)包括連接到患者身體上的電路，從而更好的捕捉更加深入的監(jiān)測結(jié)果。設(shè)計(jì)人員在設(shè)備方面可以考慮的一個(gè)選項(xiàng)，就是柔性印刷電路(FPC)以及相關(guān)的電纜和連接器。由于這些輕量級(jí)的設(shè)計(jì)非常靈活、尺寸也更小，符合可穿戴醫(yī)療設(shè)備的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)要求，這已經(jīng)證明是一項(xiàng)巨大的優(yōu)勢。此外，天線還可以印刷到印刷電路的基板上，以非侵入、連續(xù)且成本低廉的方式，傳送各種生命體征信號(hào)或生物統(tǒng)計(jì)學(xué)信息。

3.最大功率與高度的信號(hào)完整性。醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備的供電時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮低外形的線對(duì)板和柔性對(duì)板的方案。由于設(shè)計(jì)醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的目的是為了將患者數(shù)據(jù)快速的傳送到醫(yī)療提供商那里，所以，對(duì)于確保無縫傳輸來說，供電和信號(hào)具有至關(guān)重要的作用。電源對(duì)板的解決方案可承載最高15安的電流，良好實(shí)現(xiàn)設(shè)備的供電功能。現(xiàn)在提供的電路板連接方式具有更高的電路數(shù)量，分別為60、80和100電路，由于數(shù)據(jù)在各個(gè)尺寸較小的連接點(diǎn)之間傳輸，因而這種設(shè)計(jì)越發(fā)的流行起來。高性能板對(duì)板連接器和FPC連接器具有多個(gè)接地點(diǎn)，有助于確保在連接器內(nèi)部達(dá)到最高水平的信號(hào)可靠性，從而實(shí)現(xiàn)每分鐘更新的信息傳輸和數(shù)據(jù)中繼。

結(jié)論

在過去的十年間，醫(yī)療技術(shù)設(shè)備的尺寸逐步縮小，而互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展則剛剛起步。醫(yī)療服務(wù)的提供商一直都在尋求著在縮短停機(jī)時(shí)間并達(dá)到最大的舒適性的情況下，以非侵入的方式來為患者提供支持，醫(yī)療設(shè)備的制造商也在朝著同一個(gè)方向努力。他們?cè)O(shè)計(jì)出的新型設(shè)備不僅實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)和小尺寸，而且還做到了智能化、高度的安全可靠，從而正在使上述目標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)。在這一領(lǐng)域還有著更多的驚喜，我們也會(huì)繼續(xù)推動(dòng)設(shè)計(jì)上的考慮，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的創(chuàng)新與改進(jìn)。
編輯：hfy