遠(yuǎn)距離病人監(jiān)測：重塑21世紀(jì)醫(yī)療保健技術(shù)與趨勢 - 全文

　　能效對于醫(yī)療保健設(shè)備越來越重要，提高能效是研發(fā)人員的重要設(shè)計目標(biāo)。半導(dǎo)體技術(shù)有助于提高醫(yī)療保健設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、易用性和產(chǎn)品品質(zhì)，把醫(yī)療保健服務(wù)范圍擴(kuò)大到保健和疾病預(yù)防領(lǐng)域，遠(yuǎn)距病人監(jiān)測技術(shù)在其中發(fā)揮著重要作用。一個遠(yuǎn)距病人監(jiān)測平臺必須能夠監(jiān)測人體的各種生理參數(shù)，支持監(jiān)測服務(wù)的個性化要求，而監(jiān)測服務(wù)個性化需要監(jiān)測設(shè)備能夠隨身配戴，擴(kuò)展系統(tǒng)容量，與其它設(shè)備交互操作，聯(lián)網(wǎng)傳輸資料，提供資料安全功能，高能效，可一次性使用。

　　意法半導(dǎo)體開發(fā)出一個有望具有這種靈活性的健康監(jiān)測系統(tǒng)（Health Monitoring System，HMS），為該平臺整合各種設(shè)備，包括一套傳感器（傳感器套件）和一個使用者可以配戴的資料處理及網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備人體閘道（Body Gateway，BGW），以及主通訊設(shè)備、伺服器和資料庫。目前，傳感器套件和人體閘道是這個項目的研發(fā)重點，而平臺驗證用伺服器和資料庫已是定義并部署。意法半導(dǎo)體還開發(fā)出一個在便攜式終端上使用的患者監(jiān)測應(yīng)用示例，讓患者能夠直接查看部分被監(jiān)測的生理參數(shù)。

　
　圖 1 健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖1所示健康監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，由以下模塊組成：

　?。?）傳感器套件：是一套體內(nèi)傳感器和體外傳感器，包括一個3軸加速度計和一個壓力傳感器，監(jiān)測生命體征和生理參數(shù)，例如，心電圖 （ECG）、心率、人體活動量、血壓和體重。

　?。?）人體閘道設(shè)備：是一個使用者隨身配戴的資料處理和網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，用于采集傳感器資料，執(zhí)行初步處理，保存資料，準(zhǔn)備通過網(wǎng)絡(luò)把資料傳輸?shù)竭h(yuǎn)距應(yīng)用伺服器，人體閘道設(shè)備負(fù)責(zé)向使用者發(fā)送報警信號和信息，管理使用者與服務(wù)提供者之間的通訊介面。

　?。?）主通訊設(shè)備：是人體閘道設(shè)備與遠(yuǎn)距伺服器之間的溝通橋梁。當(dāng)需要發(fā)送資料時，人體閘道設(shè)備用于建立網(wǎng)絡(luò)連接。主通訊設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)在患者地點與遠(yuǎn)距應(yīng)用伺服器之間傳輸資料，主通訊設(shè)備裝有一個使用者繪圖介面，用于患者向醫(yī)生咨詢病情。

　?。?）臨床試驗服務(wù)庫和服務(wù)架構(gòu)：表示遠(yuǎn)距處理器軟硬件架構(gòu)，負(fù)責(zé)建立安全連接，驗證用戶身份，采集人體閘道收到的資料，提供健康咨詢和監(jiān)測功能，向使用者發(fā)送報警報和信息。這些伺服器代表服務(wù)提供中心的所有服務(wù)。

　　人體閘道

　　人體閘道是一個具有資料處理和網(wǎng)絡(luò)連接功能的設(shè)備，整合一個控制器兼資料處理器，能夠連接可擴(kuò)展的模擬前端和多個隨身配戴的傳感器和體外設(shè)備傳感器，還能提供資料傳輸功能。人體閘道的內(nèi)核是一個內(nèi)建512MB快閃記憶體的32位元ARM Cortex微控制器。選擇這款微控制器的原因是這款產(chǎn)品具有靈活的架構(gòu)和低功耗特性。因為藍(lán)牙是目前主流手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍適中，患者用戶都能使用，所以通訊介面選用藍(lán)牙。板載作業(yè)系統(tǒng)是獲得認(rèn)證的510k即時作業(yè)系統(tǒng)。

　　人體閘道設(shè)備原型由三個協(xié)同系統(tǒng)組成：

　　（1）1個電子信號檢測系統(tǒng)：用于監(jiān)測心臟活動；

　?。?）1個生物電阻抗檢測系統(tǒng)：用于監(jiān)測呼吸活動和電極接觸；

　　（3）1個加速度檢測系統(tǒng)：用于監(jiān)測身體位置和活動

　
　圖 2 PBGW項目架構(gòu)

　　圖2所示是項目設(shè)計架構(gòu)，包括硬件、協(xié)議棧和應(yīng)用軟件。實踐證明，這個分層架構(gòu)適合不同的業(yè)務(wù)模型，允許使用者按照自己的需求定制設(shè)計。在原型設(shè)備中，電子元件組裝在一個密閉的高強(qiáng)度塑膠模塊內(nèi)，模塊外部涂有橡膠保護(hù)層，增加用戶的使用舒適度（圖3）。這個隨身配戴的平臺架構(gòu)的驗證工具是已被臨床醫(yī)學(xué)所采用的充血性心衰（CHF）應(yīng)用協(xié)議。

　　
圖3 彈性粘貼式人體閘道模塊原型

　　人體閘道提供一個靈活的可無縫擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)，把應(yīng)用范圍擴(kuò)展到各種醫(yī)學(xué)病癥。除充充血性心衰外，平臺將支持肥胖癥（代謝綜合癥）、阻塞性睡眠呼吸暫停（OSA）、心房顫動（AF）病癥。表1列出了人體閘道從最初產(chǎn)品原型到支持不同應(yīng)用的終端產(chǎn)品的主要特性變化，圖4是人體閘道設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。

　　表 1 人體閘道從最初產(chǎn)品原型到支持不同應(yīng)用的終端產(chǎn)品的主要特性變化

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圖 4 終端的人體閘道模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　傳感器和資料處理

　　意法半導(dǎo)體的健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個不斷演進(jìn)的項目，有幾項技術(shù)還在開發(fā)中。多元化的傳感器組合可以測量更多的生理參數(shù)，例如，光傳感器能夠測量化學(xué)物質(zhì)，如血液中的氧含量；溫度測量系統(tǒng)通過測量體表溫度和熱通量能夠監(jiān)測新陳代謝活動。

　　我們還可以通過其它方式利用傳感器來提高生理參數(shù)的檢測精度，擴(kuò)大檢測范圍。例如，加速度計可用作話筒監(jiān)測心臟和呼吸，而生物電阻抗檢測可以擴(kuò)展到不同的工作頻率，進(jìn)行非侵入式葡萄糖估測。

　　通過整合不同傳感器輸出可以提高測量精度，提高資料表示方法的可靠性（圖5）。信號融合技術(shù)能夠整合不同傳感器的輸出資料，取得更高的能效，從不同的傳感器采集相同的生物參數(shù)，經(jīng)過資料整合后，提供更可靠的估測結(jié)果。例如，用一個電脈沖信號、生物電阻抗信號、加速度計信號和光信號可以檢測心率，可用更智慧的方法整合不同傳感器的輸出信號。例如，利用一種主動式雜訊消除技術(shù)去除假運動信號，加速度計信號可以清除其它信號。利用電阻抗信號監(jiān)測心電儀電極接觸品質(zhì)，提高電圖的可靠性。

　　
圖 5 信號融合

　　生物參數(shù)融合可產(chǎn)生更大的效果。例如，比較心率與身體活動量：高心率和高身體活動量不會觸發(fā)報警，相反，當(dāng)睡覺時（傳感器未檢測到高身體活動量且身體水準(zhǔn)時）心率高則會被認(rèn)為是異常事件，例如， 心動過速。多參數(shù)監(jiān)測可以為統(tǒng)計分析和醫(yī)學(xué)研究提供重要的信息，還能簡化職業(yè)體育訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效率，例如，健身課。

　　平臺演進(jìn)

　　能夠長期監(jiān)測多個參數(shù)的電子粘貼片將給使用者帶來很多好處，包括發(fā)現(xiàn)罕見但重要的異常事件后提前報警、治療方法和藥物的長期療效驗證以及醫(yī)學(xué)研究的統(tǒng)計分析驗證。

　　互通性是人體閘道消費大眾化和端對端（患者到護(hù)理中心）基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的重要條件。康體佳健康聯(lián)盟正在制定互通性指導(dǎo)原則。意法半導(dǎo)體是該聯(lián)盟的成員。

　　從技術(shù)革新角度看，深入分析應(yīng)用要求有助于降低人體閘道的資料發(fā)送量，提高資料預(yù)處理能力。粒度電源管理，開發(fā)功耗更低的軟件庫，降低每個資料位元的能耗，是我們的另一個主要研究方向。設(shè)想一下，如果把設(shè)備功耗降一個量級，那么獲得發(fā)展機(jī)會的是采用能源收集技術(shù)供電的設(shè)備，而非電池供電應(yīng)用。Bluetooth Low Energy等低功耗射頻技術(shù)是平臺準(zhǔn)備整合的待選通信技術(shù)之一。

　　最后，系統(tǒng)芯片的上市將會降低人體閘道設(shè)備的成本、尺寸和重量。

　　消費大眾化將會降低醫(yī)療保健設(shè)備的價格，讓更多的人能夠使用醫(yī)療保健設(shè)備。病癥預(yù)防預(yù)測技術(shù)需要監(jiān)測生理參數(shù)，以發(fā)現(xiàn)存在的風(fēng)險和無癥狀病癥。大多數(shù)設(shè)備無需美國食品藥物監(jiān)督局的批準(zhǔn)，也有可能不受到傳統(tǒng)醫(yī)療報銷制度的限制。例如，受到糖尿病威脅的人群和糖尿患者者的比例是10:1，睡眠呼吸暫停癥患者數(shù)量也十分龐大，醫(yī)療保健設(shè)備在糖尿病和睡眠呼吸暫停癥護(hù)理市場呈現(xiàn)大眾化消費趨勢。當(dāng)成本很低時，大多數(shù)電子粘貼片將會成為一次性消費品，當(dāng)然，產(chǎn)量增加將會加快消費大眾化過程。

　　總之，以21世紀(jì)醫(yī)療保健為目標(biāo)的研發(fā)征程將會為人們確立新的生活品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將會讓醫(yī)療保健設(shè)備的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到保健、病癥預(yù)防預(yù)測領(lǐng)域，通過不斷地降低醫(yī)療成本提高人們的生活品質(zhì)，讓更多的人能夠享受醫(yī)療保健服務(wù)。