可穿戴設(shè)備在心血管疾病監(jiān)測中的應(yīng)用

周新圓

0 引言

近年來，HUAWEI Watch、Xiaomi Watch和Apple Watch等智能可穿戴設(shè)備更新發(fā)展迅速，并受到市場的極大關(guān)注[1-2]，與此同時，無線信息傳送技術(shù)、半導(dǎo)體、高分子材料等新興技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展也為次時代感應(yīng)設(shè)備的可穿戴應(yīng)用提供了足夠的技術(shù)支持[3-4]。而可穿戴設(shè)備與生命健康領(lǐng)域的天然重疊，使得生命體征和運(yùn)動健康狀況體外檢測的廣度和深度得到前所未有的拓展，不論是內(nèi)環(huán)境相關(guān)指標(biāo)如間質(zhì)液糖濃度[5]、間質(zhì)液pH值[6]，還是生命體征相關(guān)指標(biāo)如脈搏、心率甚至血壓[7-9]等都可以實時測定、實時傳輸。

早期的可穿戴設(shè)備受限于基礎(chǔ)物理、電子科技的發(fā)展，只能測定體溫、脈搏等基本數(shù)據(jù)，而隨著智能傳感技術(shù)的開發(fā)，對于汗液和皮膚表面多種物理指標(biāo)的實時檢測分析變成現(xiàn)實，依靠新階段的傳感技術(shù)和電子集成科技的發(fā)展，科技從業(yè)者對次時代智能可穿戴設(shè)備理解愈發(fā)深入，新一代智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用場景展開已勢在必行[10]。

可穿戴設(shè)備常見的穿戴方式有接觸型[11]、植入型[12,13]和外接型[14-15]。接觸型指傳感器與皮膚表面的直接接觸，植入型穿戴則是通過微創(chuàng)將設(shè)備植入體內(nèi)，再利用多種物理、化學(xué)或生物信號傳感器通過皮膚獲取信息，而外接型設(shè)備則是通過將能夠獲取必要信息的傳感器與外置分析裝置連接，從而實現(xiàn)其穿戴-分析一體化[16-17]。

1 接觸型可穿戴設(shè)備

輕松、便捷、靈活等特點是能夠從皮膚獲取重要信息的接觸型可穿戴設(shè)備的優(yōu)勢，但快速獲取信息、實時分析導(dǎo)出的優(yōu)勢是建立在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計發(fā)展的基礎(chǔ)上，常用的接觸方式有物理固定和化學(xué)固定兩種，前者是通過物理方式增加設(shè)備吸附力，而后者是利用具有生物安全性的化學(xué)黏合劑粘貼設(shè)備，將設(shè)備完全固定到皮膚表面[18-19]。皮膚表面能夠產(chǎn)生大量的汗液，對汗液成分進(jìn)行定量檢測，可提供大量與人體生理狀態(tài)相關(guān)的信息。針對這些生理信息開發(fā)對應(yīng)的傳感器、傳感芯片可實現(xiàn)對這些指標(biāo)的實時監(jiān)測、生理評估，如能夠滿足糖尿病患者實時葡萄糖濃度監(jiān)測需求的微流控芯片[20]，基于柔性材料的表皮pH值檢測貼紙[21]，在設(shè)備便攜性、實時性方面得到了很大改善。除此以外，柔性可貼附材料還提供了皮膚表面壓力、溫度檢測的可能性，而針對手臂表面人體工學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的紙基應(yīng)變傳感器能夠滿足手臂皮膚大角度變化的連續(xù)檢測[22]。

對于心血管相關(guān)疾病，如急性心衰、急性心梗等，接觸型可穿戴設(shè)備具有隨身攜帶、快速監(jiān)測的優(yōu)勢，尤其是面對心血管急癥患者發(fā)病時的及時檢測。

2 植入型可穿戴設(shè)備

植入型的可穿戴設(shè)備主要通過微型針的形式進(jìn)行皮下檢測，相比其他可穿戴設(shè)備選擇微創(chuàng)作為監(jiān)測途徑，在放棄了無創(chuàng)可穿戴設(shè)備無創(chuàng)監(jiān)測的優(yōu)勢后極大提升了監(jiān)測指標(biāo)的準(zhǔn)確性。由于傳統(tǒng)的血液或其他體液檢測無法完全通過自主快捷的方式完成，因此一種新興的生物標(biāo)志物——間質(zhì)液進(jìn)入了相關(guān)從業(yè)者的目光，與血液具有相近的組成特點讓間質(zhì)液在疾病診斷領(lǐng)域同樣能夠發(fā)揮重要作用，而新型高分子生物微探針則為從間質(zhì)液中提取相關(guān)分子提供了可能性[23]。 近年，通過間質(zhì)液檢測機(jī)體常見代謝物水平在技術(shù)層面已可實現(xiàn)，糖含量、離子濃度、脂類代謝物等都可通過微針檢測完成，且與實時血清檢測中的結(jié)果無明顯差異。相較于傳統(tǒng)采血分析的耗時耗力，微針分析快捷方便，既不會造成患者生理上的不適和疼痛，也能夠節(jié)省采樣時間，對于需要每天進(jìn)行檢測的患者，這些因素的優(yōu)化體驗會將間質(zhì)液監(jiān)測的優(yōu)勢進(jìn)一步顯現(xiàn)。微針是微型工業(yè)化的注射針，長度約100μm，可避免對真皮層的直接傷害。有學(xué)者[24]研制了一種基于微針的生物-化學(xué)傳感器用于連續(xù)的間質(zhì)液糖濃度監(jiān)測。Nightingale等[25]制備了一種利用微透析探針快速監(jiān)測常見生化指標(biāo)的可穿戴微流控傳感器，在準(zhǔn)確和實時監(jiān)測的同時，極大地減少了采樣、分析時間,讓其在和傳統(tǒng)臨床抽血化驗相比時更具優(yōu)勢。

對于心衰、心功能不全等需要依賴多項化驗指標(biāo)綜合評估病情的心血管疾病患者，植入型可穿戴設(shè)備大大縮短了傳統(tǒng)抽血化驗等待的時間，也可作為可穿戴設(shè)備進(jìn)階檢查的選擇。

3 外接型可穿戴設(shè)備

外接型可穿戴設(shè)備是指傳感器本身無法直接應(yīng)用于場景，需要將其與傳統(tǒng)的隨身穿戴物品連接從而實現(xiàn)理論上的穿戴。谷歌、微軟公司開發(fā)的VR眼鏡就是一種典型的外接型的智能穿戴設(shè)備，它通過集成信息感受器、數(shù)據(jù)采集軟件、圖形音頻分析軟件和無線連接器，實現(xiàn)現(xiàn)實場景中用戶直接接受分析完成并可視化的多種來源信息[26]。與植入型和接觸型可穿戴設(shè)備相比，外接型的穿戴設(shè)備在用戶體驗上更為舒適，有學(xué)者[14]通過在口罩中將呼吸傳感器固定，將呼吸數(shù)據(jù)傳送到連接的智能手機(jī)或平板電腦進(jìn)行實時處理，實現(xiàn)對呼吸相關(guān)指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測。而通過改良電池與傳感器分布，可用于長期連續(xù)監(jiān)測呼吸狀況的可穿戴口罩也已經(jīng)有學(xué)者在實驗室完成[27]。這些可收集實時呼吸數(shù)據(jù)的智能穿戴型口罩在目前新冠大流行的背景下發(fā)揮了很大作用。除此以外，一種基于呼吸動作產(chǎn)生生物電效應(yīng)的可穿戴智能腰帶也為研究者提供了全新的思路[28]。 而Wang 等[15]開發(fā)的可穿戴的汗液傳感器，實現(xiàn)了對運(yùn)動時汗液中離子濃度的有效收集和實時分析，制備的汗液傳感器對 Na+具有良好的檢測效果，且多次測定穩(wěn)定性良好。根據(jù)心功能不全的類型，很多心血管疾病患者需要同時監(jiān)測呼吸和心臟功能，而能夠非常有效地呈現(xiàn)出體內(nèi)血容量的變化情況。體液內(nèi)離子濃度的改變可以在一定程度上反映患者心功能的情況，因此呼吸傳感器、汗液傳感器以及壓力感受器集成后的智能口罩、智能手表對于心衰患者病情改變的監(jiān)測具有得天獨厚的優(yōu)勢，應(yīng)用場景的重合使得這些外接型可穿戴設(shè)備對于患者心功能的實時監(jiān)測變得更為方便、快捷。

此外，體液中Na+和K+濃度變化直接反映了人體電解質(zhì)的變化情況,電解質(zhì)紊亂可能會導(dǎo)致全身多種臟器的損傷。而汗液中Na+和K+的濃度是能夠通過體外獲取的與體內(nèi)真實信息最為接近的電解質(zhì)濃度，因此汗液傳感器的開發(fā)也是傳感器領(lǐng)域?qū)W者研究的重點之一，如通過毛細(xì)作用將收集到的少量汗液輸送到芯片上分析Na+和K+濃度的可穿戴貼片[29]。與之類似的有汗液檢測繃帶[30]，其可通過柔性材料集成傳感器實現(xiàn)皮膚直接接觸。除此以外，有研究者對基于電場和熱圖進(jìn)行離子濃度分析的汗液提取可穿戴設(shè)備做了嘗試[31-32]。這些開發(fā)都結(jié)合了臨床實踐或基礎(chǔ)研究中涉及的汗液信息提取方式，是由臨床需求出發(fā)、從基礎(chǔ)研究實現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的重要范本。

心率和血氧是反映心血管疾病患者病情變化的重要指標(biāo)，由于脈搏可以大致反映心率,所以多種穿戴設(shè)備以脈搏檢測反映心率的變化，有研究者[7]制備了一種可穿戴壓力傳感器檢測脈搏，而集成于柔性材料的高敏壓力傳感器則直接促成了橈動脈連續(xù)脈搏監(jiān)測帶的開發(fā)[33]。此外，血液流動產(chǎn)生的微電容改變也被研究者應(yīng)用在了傳感器開發(fā)中，通過將原始電容數(shù)據(jù)由光電二極管轉(zhuǎn)化為光信號，實現(xiàn)了同時測量心率和血氧并將原始信號可視化處理的大跨越[34]。而血液流動形成的脈沖信號也為Haahr等[35]和Chacon等[36]研制用于測定血氧、脈搏脈沖信號的可穿戴設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。利用無線傳輸和信號處理技術(shù)將測量信號發(fā)送到移動設(shè)備上進(jìn)行實時信號處理，與有創(chuàng)檢測的金標(biāo)準(zhǔn)相比，其血氧測量的準(zhǔn)確度≥98% ,心率準(zhǔn)確率≥97%，完全可替代有創(chuàng)檢測，具有廣闊的市場前景。

HUAWEI Watch由于具有血壓測量、心電采集、血氧監(jiān)測、體溫測定等多項針對心血管疾病重要生理指標(biāo)的實時監(jiān)測功能，從而使其在心血管患者家中進(jìn)行病情觀察、指標(biāo)測量等發(fā)揮重要作用。另外，結(jié)合汗液監(jiān)測貼片，使心功能不全患者的居家保守治療在一定程度上成為了可能。

4 小結(jié)

伴隨著高分子材料、生物、物理、化學(xué)和半導(dǎo)體等學(xué)科技術(shù)的飛速進(jìn)展，可穿戴設(shè)備的類型以及功能都得到了極大的開發(fā)，并且由于智能穿戴實時監(jiān)測的功能能夠有效彌補(bǔ)醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域尤其是護(hù)理方面人員不足的問題，其應(yīng)用場景與護(hù)理或者患者自我管理場景具有天然的重疊。在次時代智能穿戴設(shè)備即將全面到來的今天，醫(yī)療護(hù)理工作者應(yīng)該更加關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，以期在未來全新的依托于智能設(shè)備的“護(hù)理+患者自我管理”模式中為患者提供更優(yōu)質(zhì)、更全面的護(hù)理服務(wù)。

此外，隨著納米科技、5G無線通信和人體類器官等次時代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備的核心組件——傳感元件向更深、更廣闊的領(lǐng)域拓展，從而使次時代智能可穿戴設(shè)備更廣泛地應(yīng)用于心血管疾病醫(yī)療服務(wù)中。