可穿戴便携式电子健康系统 ——个性化护理的技术问题与机遇外文翻译资料

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可穿戴便携式电子健康系统

——个性化护理的技术问题与机遇

LOUKIANOS GATZOULIS和ILIAS IAKOVIDIS 著

十多年来，欧洲委员会在电子健康的活动支持了以公民为中心的健康输送系统在所有护理阶段（预防、诊断、治疗和随访）和所有护理点的愿景。很多人谈到公民护理的愿景需要患者/公民的更高程度的参与。它指的是公民对自己的健康负责，接收有关健康问题的信息，并参与从预防、护理和随访到与个人健康问题有关的决策。通过适当地利用信息和通信技术（ICTs），可以通过考虑个人的需求和通过医院以外的医疗保健来实现这些。后者本质上意味着建立健康信息网络，它连接医院、实验室、药房、初级保健、社会中心，最终是人们的家。目前欧洲大多数国家正在建立这样的国家和区域卫生信息网络。个人健康管理系统（PHMSs）的作用是建立个人与这样的健康信息网络之间的联系，使以公民为中心的卫生系统成为现实。直接益处不仅包括在需要时及时提供远程医疗服务，还包括更好的告知和更负责任的患者。

PHMSS能够连续监测各种生物信号，并赋予公民在管理自身健康状态方面更大的作用。它们还可以优化患者和医生之间的交流和接口。发达国家已经将相当多的国内生产总值用于医疗保健，而在经济合作与发展组织（OECD）组织中，这一支出持续增长（以每年3.8%的速度增长）。PHMSS可以通过允许早期诊断和更有效的患者监测和咨询来平衡这些上升的成本，这些手段超出了普通的医院环境。

PHMSs可以是可穿戴、可植入或便携式系统的形式，也可以是家庭使用的体外护理点诊断装置。特别是可穿戴电子系统是监测个人健康相关参数的便利平台，即使是在连续的基础上，也可用于处理和向其用户和/或医疗专业人员提供相关信息。他们通过整合身体穿戴系统中的传感、处理和通信设备来实现这一目标（例如，腕戴设备、贴片、甚至衣服），它们还链接到健康信息系统和电子健康记录。便携式系统可以是小型手持设备的形式，可以在任何位置操作。它们甚至可能临时附着在人体上作为外围设备或附件。在一定程度上，便携式系统可以类似于可穿戴系统，在它们的监控能力、它们提供的功能以及它们可以结合的服务方面。

便携式和特别是基于新一代传感器的可穿戴电子系统正在涌现出有前途的应用。迄今为止所做的工作已经证明了这些平台的潜力，通过授权人们采取预防性的生活方式，强调早期诊断来实现个性化护理。本文综述了可穿戴和便携式健康系统的健康状况监测和疾病管理的最新进展。它还确定了一些新的技术，有可能有助于个性化护理的发展。个人健康系统的领域当然更广泛，包括精神健康监测、植入式设备和环境因素监测等主题，但在本文中没有考虑这些问题。

当前成就

自20世纪90年代中期以来，欧盟委员会一直在努力促进生物医学工程和医学信息学领域之间的协同作用。主要目标是为个人健康监测开发创新的系统和服务。许多合作研究项目（AMON，MiBealHead，Realthand MyRoad，举几个）已经由欧洲委员会第五和第六研究框架计划资助。在第五框架计划中，重点是家庭护理的技术、部件和通信基础设施的发展。在第六框架计划中，重点是卫生系统和护理的个性化（图1）。

图一：典型的例子是指慢性病的管理，但它同样适用于健康状况监测的人在危险或想要保持健康的人

迄今为止，在可穿戴和便携式电子系统上进行的工作主要集中在生理功能的无创监测，即测量人体生命体征，如ECG，以及呼吸速率、心率、温度和血氧饱和度等变量。收集可能导致早期识别或预防疾病的信息（如心血管疾病或呼吸系统疾病）。从技术的角度来看，在大多数系统和原型中已经遵循了两种方法。第一个是在人体佩戴设备中集成微电子和电传感器。另一种选择是开发基于纺织品传感器（电极）的嵌入式传感能力的智能织物（智能生物医学服装）。一些系统还采用额外的传感器来识别姿势和运动活动，其目的是在进行生理测量时建立与人的状态相关的意识。在大多数情况下，来自身体传感器的数据通过有线连接或无线通信（例如蓝牙）传输到中央单元。中央单元可以处理收集到的数据，甚至当关注点被测量变量的水平提高时，也会产生警报。该单元还无线连接[全球移动通信系统（GSM）或通用分组无线业务（GPRS）]到远程医疗中心。关于现有解决方案的更多细节可以在表1和以前的关于可穿戴医疗系统的评论文章中找到，其中一些原型也简要地描述了。

由于心血管疾病是全球死亡的主要原因，大多数可穿戴和便携式电子系统针对这些疾病。这些系统的无创监测能力不仅涉及心血管疾病（如心肌梗死和中风）的预防，而且涉及他们的管理，如慢性病患者的情况。当考虑当前人口趋势时，这是一个日益重要的因素。其他慢性疾病，如糖尿病的非侵入性管理，也将受益于使用可穿戴或便携式系统，但没有强烈的努力已经朝着这个方向。虽然已经证明了由各种原型提供的解决方案的潜力，但为了达到医疗保健所需的鲁棒性和可靠性，存在许多需要克服的挑战。

电子健康新技术的整合

如前所述，迄今为止在可穿戴和便携式系统上的努力主要集中在生理监测上。虽然这是一个非常重要的方法，但在开发类似的系统方面还有更多的机会，可以从血液中提取多参数信息，也可以替代缺失或退化的器官功能的系统，即可穿戴或便携式人工器官。还提出了一种新的方法来监测一个人的精神状态和对健康或护理计划的影响，但这些将不在本文中考虑。

可穿戴或便携式人工器官

这类系统目前看来似乎是未来主义的和有远见的，但人们可以想象拥有的优点，例如，便携式肾脏透析装置足够小，可以附在病人的腰带上。像这样的装置，能够连续操作，并具有最小的维护要求，将使患者能够进行日常活动，而不必访问他们的当地医院，躺在床上几个小时，而他们连接到庞大的透析机。这是一个高度雄心勃勃的话题，需要在ICT、生物学和材料科学的界面上进行多学科的工作，以便成功地模拟自然器官的生理操作。与此同时，欧洲委员会已经开始了一个非常有挑战性的计划，发展多层次的建模和模拟人体解剖和生理：虚拟生理人（VPH）。该计划的最终目标是使科学家和医生了解和应用有关疾病的所有相关知识，从分子水平、细胞水平、器官水平到生物体水平。因此，在VPH程序下的工作将在设计靶向药物以及能够实现预期功能水平的人工器官方面提供极其有用的见解。

多参数血液分析

几种方法，如超声、电泳或电泳，显示出增强皮肤渗透性的潜力，因此，分子和离子在皮肤上的传递。这些方法介绍了基于新一代可穿戴式透皮传感器的无创血液分析物测量的可能性。电泳涉及在皮肤表面施加低电流水平，触发分子从下面的血管，到细胞外液和皮肤的透皮通量。超声心动图与低频超声脉冲的应用效果相同，而超声检查则是上述两种技术的结合。任何这些方法的应用可以允许血液中存在的分析物在皮肤表面收集和测量。该监测可在12至24小时的任何时间段内进行，且无创、无痛，可在不采集任何血液样本的情况下进行。

正是由于这些优点，透皮传感器被视为一个有前途的话题，具有较高的潜力，无创性ATITEN监测。早期的例子是由CygNUS公司（加利福尼亚红木城）开发的GealVoCH G2传记器。现在在美国和英国都可以买到。葡萄糖在前臂上佩戴，可以在13小时的窗口中每十分钟阅读一次糖尿病患者的血糖水平。当警报级别达到时，设备发出警报。基于光学技术（SelpX公司，格鲁吉亚）正在开发一种不同类型的连续葡萄糖监测仪。这类设备能否进入市场还有光学技术是否可以推广到多参数血液分析还有待观察。

除了葡萄糖之外，还可以收集和测量各种其他分析物，包括乳酸盐、免疫球蛋白、氨基酸和小蛋白。为了能够在家庭或工作中的正常活动期间使用可穿戴设备进行连续多分析物测量，需要多传感器阵列。这种阵列的制造将依赖于微技术的使用，使这些器件尽可能不显眼。

生理监测

迄今为止，在可穿戴传感器和原型上进行的工作揭示了传感器和皮肤之间的“接触”问题，尤其是在纺织电极的情况下。克服这些问题的一种方法是使用非接触式传感器，如超声波（U/S）或射频（RF）传感器。

可穿戴电子健康系统是一种方便的平台，用于监测个人的健康相关参数，即使是连续的基础上，也用于处理和馈送相关信息给他们的用户或医疗专业人员。

超声波传感器：超声已经在医学诊断中使用了几十年。超声具有非离子化的优点，因此在很大程度上被视为病人检查的安全技术。超声换能器技术（阵列和波束形成算法）的最新进展已经导致超声图像质量的显著改善。目前，图像分辨率在几百微米的范围内。传统上，超声换能器已经由压电材料制成，但在90年代引入了一种新的替代技术：电容式微机械超声换能器（CMUT）。在这种换能器中，由于静电力的振动，超声波产生悬浮在硅衬底上方的微膜。CMUTS是通过微机械加工技术实现的，它们本质上是微机电系统（MEMS）器件。与压电换能器相比，它们表现出更大的带宽，并且可以在成像应用的阵列配置中制造[5 ]。用CMUT获得的图像质量已经提高，并且接近于与压电换能器产生的图像的质量匹配。因此，医学超声成像设备的大型制造商已经计划将这项技术纳入他们的产品线，这并不令人惊讶。

通常，在医学诊断中，将耦合介质如凝胶或水放置在换能器和患者皮肤之间。这提供了压电材料和人体组织的声阻抗之间的更好匹配，从而提高了超声能量传播的效率。压电换能器在没有耦合介质的情况下表现出降低的灵敏度；即，当通过空气（空气耦合使用）工作时。就这一点而言，CMUTs在空气耦合应用中具有优越的性能，即使在相对较高的频率下也是如此。到目前为止，空气耦合使用CMUT获得的经验已经在不同于医学诊断的领域[6 ]。然而，这些换能器的潜力使人们希望它们也可以用于空气耦合的病人监测应用，作为便携式或可穿戴设备的一部分。

需要仔细考虑的一个问题是电力消耗。CMUT的成功的空气耦合操作可能需要高振幅的电压脉冲，这反过来可能会对可穿戴或便携式设备的电源管理系统造成负担。这里可能的缓解策略是双重的。第一个方面是指通过仔细和复杂的建模和设计过程来提高传感器本身的性能。这将允许CMUT以更低的电压实现相同的灵敏度。第二个涉及到为便携式传感器和电子器件提供功率自治的更一般的挑战，以用于长寿命的操作。目前，电池通常被使用，提供有限的操作持续时间。未来的方法是研究电池充电机制和替代能源，包括环境能源。燃料电池是一种有前途的技术，为这些类型的设备供电，而电力清除技术也正在探索各种研究小组。这些可以包括从环境光中提取能量（通过使用太阳能电池）或者从身体的热和运动中提取（例如，通过在鞋中使用压电发电机或当肢体移动时转换动能）。最后，可以考虑在家庭或工作环境中操作无线功率感应。

射频传感器：Ultrawideband（UWB）无线电是最新的无线通信技术之一。它的操作是基于使用非常短的持续时间（几

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