柔性電子技術(shù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智慧醫(yī)療新模式

陳穎

市場(chǎng)普遍認(rèn)為醫(yī)療是可穿戴設(shè)備最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展、醫(yī)學(xué)的進(jìn)步、慢病的高發(fā)以及健康意識(shí)的回歸，可穿戴設(shè)備將在醫(yī)療領(lǐng)域得到快速發(fā)展。目前傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備，無(wú)法滿足用于健康和醫(yī)療監(jiān)護(hù)所需的高精度傳感需求，基于柔性集成的電子系統(tǒng)技術(shù)的集成系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。柔性電子技術(shù)的出現(xiàn)，為可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品提供了最有效的技術(shù)途徑。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，當(dāng)今信息技術(shù)的發(fā)展方向是以人為本、以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為主干，充分利用通過(guò)各種方式收集的單獨(dú)個(gè)體的海量數(shù)據(jù)，通過(guò)分析加工反饋服務(wù)于人類。其中，對(duì)于人體體征信息的收集（如血氧、血壓、血糖等）是全面了解人類健康的關(guān)鍵一環(huán)。

遠(yuǎn)程智慧醫(yī)療的基礎(chǔ)核心技術(shù)的第一道難關(guān)就在于人體生理數(shù)據(jù)采集。

健康和醫(yī)療監(jiān)護(hù)的傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著中國(guó)逐漸步入老齡化社會(huì)，對(duì)疾病的防治要求已經(jīng)由“發(fā)病時(shí)的治療”轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍l(fā)病前的預(yù)防”。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要對(duì)居民做大規(guī)模和長(zhǎng)時(shí)間人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)，這對(duì)當(dāng)前生理參數(shù)采集醫(yī)療器械提出了新的要求。傳統(tǒng)的采集手段多依賴于醫(yī)院里的醫(yī)療設(shè)備，這類設(shè)備存在價(jià)格昂貴、資源有限、舒適性差和無(wú)法自動(dòng)處理數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，這給居民日常健康防護(hù)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。研究用于生理參數(shù)采集的可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品是目前社會(huì)的迫切需求。

柔性電子技術(shù)的出現(xiàn)，為可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品提供了最有效的技術(shù)途徑。柔性電子技術(shù)基于特殊的柔性材料、柔性傳感器和相關(guān)加工制造工藝，可為居民提供涵蓋心電、血壓、血糖、體溫等多種生理參數(shù)監(jiān)控的柔性電子醫(yī)療器械，該類柔性器械的優(yōu)勢(shì)在于：緊貼人體、測(cè)量準(zhǔn)確;超柔超薄、佩戴舒適;無(wú)線連接、可長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)處理，因而有望解決當(dāng)前居民醫(yī)療健康防治存在的重大挑戰(zhàn)。世界衛(wèi)生組織在《21世紀(jì)的挑戰(zhàn)》報(bào)告中強(qiáng)調(diào)：“21世紀(jì)的醫(yī)學(xué)，不應(yīng)該繼續(xù)以疾病治療為主要領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)以人的健康作為醫(yī)學(xué)的主要發(fā)展方向?！笔聦?shí)上，非傳染性慢?。ㄈ缧哪X血管疾病、糖尿病、帕金森病等）現(xiàn)已成為人類健康和生命的主要威脅，是當(dāng)前社會(huì)面臨的全球性醫(yī)療危機(jī)。雖然各國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生界均投入了大量人力、物力，但從總體上并未能控制住非傳染性慢病的發(fā)展。為了遏制非傳染性慢病的發(fā)展勢(shì)頭，醫(yī)療模式逐漸從以診斷為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐灶A(yù)防為主，從疾病的治療和管理轉(zhuǎn)變?yōu)榧膊〉念A(yù)防和健康管理，從住院方式治療疾病轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘１＝》绞筋A(yù)防疾病。如果在日常生活中，醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)地獲取患者的各項(xiàng)生命體征參數(shù)，則會(huì)及時(shí)準(zhǔn)確地了解患者身體狀況，為對(duì)癥下藥提出治療方案起到?jīng)Q定性的作用。但是人類的生命體征信號(hào)一般比較微弱，如需實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地感知、處理和無(wú)線傳輸生理信息等功能，則器件必須具備高性能;同時(shí)人體及其組織大多是非可展曲面，實(shí)現(xiàn)器件與人體的緊密貼合，并且不影響日常活動(dòng)，則器件必須具備可延展柔性特點(diǎn)。目前基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)光子/電子集成器件雖具備技術(shù)成熟度高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，卻因其柔性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與人體緊密貼合，不能為患者帶來(lái)良好體驗(yàn)而難以進(jìn)行實(shí)際的醫(yī)療應(yīng)用。

為解決類似的難題，科學(xué)研究者提出了可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件的概念：通過(guò)在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體襯底上制備功能單元，將其剝離后集成到柔性襯底并通過(guò)波浪狀導(dǎo)線互連，從而實(shí)現(xiàn)可延展柔性集成電路及仿皮膚電子器件（如圖1所示）。相關(guān)成果極大地拓展了傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)理念，并連續(xù)在Science上發(fā)表[1-3]。隨后引起主流媒體《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》的報(bào)道，深入探討可延展柔性無(wú)機(jī)器件對(duì)未來(lái)人類生活的深遠(yuǎn)影響[4]。為了能夠使得器件與人體有很好的接觸，元件間的互連導(dǎo)線主要采用蛇形或自相似的曲線結(jié)構(gòu)，這可以在有限空間中提高器件的延展性，亦可降低器件的剛度[5-9]。清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)從力學(xué)理論層面系統(tǒng)研究了薄膜網(wǎng)格幾何結(jié)構(gòu)中互連導(dǎo)線的屈曲變形機(jī)理，并提出了直桿型互連導(dǎo)線設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則[10]。通過(guò)蛇形互連導(dǎo)線連接多種功能的無(wú)機(jī)元件，器件的拉伸剛度與皮膚的剛度非常接近，無(wú)需在器件上采用粘結(jié)劑就可將無(wú)機(jī)元件與皮膚完好的貼合，粘附后的柔性電子器件可跟隨皮膚一起變形[11-13]。利用微納制備方法通過(guò)光刻顯影的方式刻蝕設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器的圖案，通過(guò)轉(zhuǎn)印的方式制備出具有生物兼容性的超薄柔性應(yīng)變傳感器、柔性壓電換能器、類皮膚柔性溫度傳感器以及光電材料性能調(diào)控器件[14-16]等柔性器件?；跓o(wú)機(jī)薄膜材料的結(jié)構(gòu)分塊化設(shè)計(jì)，以及與柔性基體的結(jié)合為無(wú)機(jī)器件由脆性向可延展柔性提供了新的途徑。國(guó)內(nèi)已研制出室溫制備柔性SAW的技術(shù)，可以在試紙、塑料片或金屬箔上制備高性能的柔性SAW、SAW柔性傳感器和微流控器件，并應(yīng)用于溫度、濕度、應(yīng)變等傳感和LOC（lab-on-chip）的柔性系統(tǒng)[17-19]。通過(guò)柔性電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)貼合人體復(fù)雜曲面的原位實(shí)時(shí)和高精度的生理參數(shù)的傳感，已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

根據(jù)《2006-2020年國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》：信息化是指充分利用信息技術(shù)，開(kāi)發(fā)利用信息資源，促進(jìn)信息交流和知識(shí)共享，提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)質(zhì)量，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的歷史進(jìn)程[20]。盡管手機(jī)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)提供了信息的處理、傳播與顯示手段，已有的心率帶、運(yùn)動(dòng)型智能手環(huán)等產(chǎn)品提供了人體生命特征信息實(shí)時(shí)收集的手段。但是由于其測(cè)量功能少、集成度低、精度差、舒適性差，只適合對(duì)短時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)人體的心率、步伐等簡(jiǎn)單信息的收集，無(wú)法用于醫(yī)療和健康評(píng)估，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)慢性病人、老年人監(jiān)護(hù)等進(jìn)行7×24小時(shí)、全方位生命特征信息的收集。目前傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備，無(wú)法滿足用于健康和醫(yī)療監(jiān)護(hù)所需的高精度傳感需求，基于柔性集成的電子系統(tǒng)技術(shù)的集成系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

柔性集成系統(tǒng)研究與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

通過(guò)柔性集成，綜合利用物理世界、信息數(shù)據(jù)以及人類社會(huì)資源，通過(guò)人與信息融合交互完成任務(wù)，是未來(lái)信息社會(huì)的核心。高效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的系統(tǒng)物理底層必然需求具有可延展柔性新型集成器件，以突破傳統(tǒng)剛性無(wú)機(jī)器件無(wú)法與人體柔性組織集成的瓶頸。將集成器件與人體組織緊密貼合，可以極大地增強(qiáng)人類感知、認(rèn)知和活動(dòng)的能力。

近年來(lái)，柔性電子集成器件成為新型微電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)，是適應(yīng)人與信息交互融合發(fā)展趨勢(shì)的革新性技術(shù)。將柔性襯底與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)完美結(jié)合的柔性電子集成器件，兼?zhèn)淇勺冃闻c高性能優(yōu)勢(shì)。如圖2所示，可延展柔性無(wú)機(jī)器件技術(shù)突破了傳統(tǒng)集成器件發(fā)展和應(yīng)用的思維理念，為人與信息交互系統(tǒng)提供更可靠的人體信息，是構(gòu)筑人機(jī)交互系統(tǒng)物理層的基礎(chǔ)單元之一，對(duì)于推動(dòng)國(guó)防、醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展以及提高人類生活質(zhì)量具有重要的戰(zhàn)略意義。

無(wú)論從產(chǎn)品的分項(xiàng)構(gòu)成需求還是從全球市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，我國(guó)對(duì)集成器件的需求巨大，而且將長(zhǎng)期維持剛性增長(zhǎng)。然而，我國(guó)擁有的集成電路自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)很少。因此，在新一輪信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，急需發(fā)展具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型集成器件[21]。

柔性電子技術(shù)并非取代當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)，而是對(duì)其的進(jìn)一步拓展。柔性電子技術(shù)利用柔性襯底及其特有的轉(zhuǎn)印制備技術(shù)，不但可以實(shí)現(xiàn)不同無(wú)機(jī)功能器件的集成，而且可以使新型光子/電子集成器件具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件不具備的柔性，將集成芯片拓展到更貼近人體和可穿戴等柔性環(huán)境，為微電子和集成電路設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的維度。是半導(dǎo)體技術(shù)在醫(yī)療健康、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域新的增長(zhǎng)點(diǎn)。如果在柔性電子器件設(shè)計(jì)方面能夠掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，則可以使我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)在圍繞核心原創(chuàng)性新型信息器件的競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，提高自主創(chuàng)新能力與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，在新一輪的產(chǎn)業(yè)浪潮中，迎頭趕上并實(shí)現(xiàn)彎道超車。

另外，柔性電子產(chǎn)業(yè)背后蘊(yùn)含著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和不斷發(fā)展的巨大市場(chǎng)，據(jù)2013年權(quán)威機(jī)構(gòu)IDTechEX統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年柔性電子產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益將呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。如圖3所示，2023年市場(chǎng)規(guī)模將接近800億美元，最終的市場(chǎng)份額將達(dá)到千億美元量級(jí)[22]。美國(guó)NSF BioFlex、NIH-NSF、DARPA等組織分別提出了“探索柔性電子生物應(yīng)用”、“健康管理與柔性器件生物集成”、“探索器件可延展柔性設(shè)計(jì)”等項(xiàng)目;歐盟科技框架也提出了“協(xié)作可延展柔性電子計(jì)劃”。此外在工業(yè)界，IBM、三星、索尼等國(guó)際公司也紛紛開(kāi)始尋找將柔性電子工業(yè)化的途徑。

柔性電子技術(shù)的研究及應(yīng)用必將對(duì)人類的生活產(chǎn)生巨大的影響，其不僅僅是一項(xiàng)科技革新，更是信息工業(yè)的理念和產(chǎn)業(yè)布局的改變。

柔性電子傳感器及系統(tǒng)應(yīng)用于人體健康監(jiān)測(cè)之后，將極大地拓展人體生理數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間范圍，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)人體生理狀態(tài)?；陂L(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)獲取的人體多個(gè)生理參數(shù)進(jìn)行疾病診斷和健康風(fēng)險(xiǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)療診斷和預(yù)防模式的顛覆。同時(shí)，這些海量生理數(shù)據(jù)的分析和診斷模型的建立則是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是醫(yī)療人工智能領(lǐng)域的重大機(jī)遇。

當(dāng)今世界正處于格局重新調(diào)整的振蕩階段，不同經(jīng)濟(jì)體正以不同的方式力爭(zhēng)在新一輪的格局調(diào)整中獲得最大利益。在這次格局的博弈中，世界各國(guó)無(wú)論是采取政治手段、經(jīng)濟(jì)手段、文化手段還是軍事手段，其核心都是通過(guò)創(chuàng)新提升國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力。產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)已經(jīng)成為提升我國(guó)協(xié)同創(chuàng)新能力最基本、最重要的手段，關(guān)系著我國(guó)綜合國(guó)力的提升。在此背景下，將產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)政策提升為國(guó)策是我國(guó)政策設(shè)計(jì)的必然選擇。

目前柔性電子技術(shù)方面的研究和教學(xué)工作已經(jīng)在我國(guó)多所頂級(jí)高校全面展開(kāi)，而柔性電子器件的產(chǎn)業(yè)化工作在我國(guó)還尚未大規(guī)模啟動(dòng)。浙江清華柔性電子技術(shù)研究院柔性制造實(shí)驗(yàn)室的健康管理云平臺(tái)項(xiàng)目以研發(fā)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柔性電子器件為目標(biāo)，為柔性電子器件向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移奠定基礎(chǔ)、探索方向，是完成柔性電子技術(shù)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)的必要途徑，是中國(guó)占據(jù)世界柔性電子器件市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)地位的橋頭堡。

目前柔性集成系統(tǒng)面臨一些關(guān)鍵技術(shù)難題，包括批量生產(chǎn)和應(yīng)用方面，具體涉及：

·高性能無(wú)機(jī)傳感器件及電路柔性化集成設(shè)計(jì)和批量化生產(chǎn)技術(shù)，特別是跨尺度異質(zhì)柔性集成工藝方法。

·面向柔性傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。對(duì)于柔性傳感，特別需要數(shù)據(jù)的容錯(cuò)處理、數(shù)據(jù)融合、采集數(shù)據(jù)的可靠性判斷、低功耗傳感的設(shè)計(jì)以及提高傳感精度降低噪聲干擾的轉(zhuǎn)用算法。

·柔性器件的無(wú)線無(wú)源監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。柔性系統(tǒng)需要長(zhǎng)期電源供電，如果能夠采用無(wú)線無(wú)源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的無(wú)電源支持，將極大地拓展柔性傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。柔性系統(tǒng)將開(kāi)展面向柔性器件的遠(yuǎn)距離無(wú)線無(wú)源傳感技術(shù)。

“健康管理云平臺(tái)”系統(tǒng)將重點(diǎn)聚焦跨尺度異質(zhì)柔性集成工藝方法這一核心關(guān)鍵難題開(kāi)展研究，在原有的自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)和多科研經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)可以批量化生產(chǎn)的跨尺度異質(zhì)柔性集成工藝和方法;實(shí)現(xiàn)基于連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間人體生理參數(shù)的人工智能分析模型和自學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病和健康狀態(tài)的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析。利用柔性生理信息采集模塊采集的人體長(zhǎng)時(shí)間溫度、心電、血壓、呼吸、血氧飽和度等數(shù)據(jù)，結(jié)合診斷信息，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立歷史相關(guān)的健康/疾病分析模型。應(yīng)用建立的分析模型，開(kāi)發(fā)針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的疾病/健康診斷軟件，能夠動(dòng)態(tài)地對(duì)人體的生理健康參數(shù)智能地給出評(píng)估。

柔性電子技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程智慧醫(yī)療的經(jīng)濟(jì)前景

未來(lái)隨著社會(huì)消費(fèi)水平的提高、人口老齡化進(jìn)程的加速、人民健康保健意識(shí)的提升，我國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)的銷售額將保持較快的增長(zhǎng)。智研咨詢報(bào)告顯示，到2016年底中國(guó)移動(dòng)醫(yī)療健康市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到74.2億元。2018年，中國(guó)移動(dòng)醫(yī)療健康市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到184.3億元。智能可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，極大地迎合了人們的醫(yī)療健康日常檢測(cè)需求，讓生理體征檢測(cè)變得更加便捷。

2016年中國(guó)60歲以上的老年人口數(shù)已經(jīng)達(dá)2.3個(gè)億，預(yù)計(jì)到2030年中國(guó)的老年人口可能達(dá)到3億，其中空巢老人家庭比例或?qū)⑦_(dá)到90%。從整個(gè)養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，估算到2025年將達(dá)萬(wàn)億的規(guī)模。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)老人配戴項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的智能穿戴設(shè)備與家庭其他移動(dòng)智能醫(yī)療設(shè)備，可以實(shí)時(shí)觀察和精準(zhǔn)采集老人血壓、血糖、心電圖等各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，并利用人工智能技術(shù)進(jìn)行智能化分析，給出針對(duì)性的醫(yī)療健康護(hù)理建議方案。

“浙清柔電”的健康管理醫(yī)療云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)可與人體皮膚緊密貼合的柔性醫(yī)療健康電子產(chǎn)品，進(jìn)行基于醫(yī)療精度的人體生理數(shù)據(jù)采集，致力于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)的采集和監(jiān)測(cè)體溫、脈搏、心電、心率、血壓、血氧、血糖等人體生理體征數(shù)據(jù)，采用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，以云服務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)個(gè)人健康管理服務(wù)。系統(tǒng)由云平臺(tái)、醫(yī)生端、個(gè)人端組成，功能主要包括健康數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)報(bào)告管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警提醒、事件記錄等。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)全面對(duì)接國(guó)內(nèi)頂級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)健康管理和遠(yuǎn)程醫(yī)療無(wú)縫對(duì)接;可形成動(dòng)態(tài)健康檔案、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上問(wèn)診、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

由于柔性電子產(chǎn)品具有測(cè)量精準(zhǔn)、柔軟輕薄、貼合舒適等特點(diǎn)，健康管理云平臺(tái)系統(tǒng)在技術(shù)上有創(chuàng)新性和顛覆性，在精準(zhǔn)性、舒適性及連續(xù)性等方面大大領(lǐng)先于市場(chǎng)上同類產(chǎn)品，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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