可穿戴設(shè)備在心血管疾病監(jiān)測中的應用

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)展也為次時代感應設(shè)備的可穿戴應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)對應的傳感器、傳感芯片可實現(xiàn)對這些指標的實時監(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結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的紙基應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)測指標的準確性。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志物——間質(zhì)液進入了相關(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。有學者[24]研制了一種基于微針的生物-化學傳感器用于連續(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)測常見生化指標的可穿戴微流控傳感器，在準確和實時監(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或平板電腦進行實時處理，實現(xiàn)對呼吸相關(guān)指標的連續(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，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)備上進行實時信號處理，與有創(chuàng)檢測的金標準相比，其血氧測量的準確度≥98% ,心率準確率≥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的實時監(jiān)測功能，從而使其在心血管患者家中進行病情觀察、指標測量等發(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、化學和半導體等學科技術(shù)的飛速進展，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醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域尤其是護理方面人員不足的問題，其應用場景與護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)療護理工作者應該更加關(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)備更廣泛地應用于心血管疾病醫(yī)療服務(wù)中。