生理參數監測技術及設備的研究進展

張 磊，田澤懿，唐春暉，高秀敏

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

目前，不論是在發展中國家還是在發達國家，隨著平均壽命的增長，老齡化的問題都日趨嚴重。據預測，約到21世紀中葉，我國60歲以上的老人將達到4億，約占我國人口總數的25%[1]。根據一項調查顯示，我國近80%的60歲以上老人患有至少一種慢性疾病，50%同時患有至少兩種慢性疾病[2]。由此衍生出很多關于老年人醫療監護的問題，老年人由于各項生理機能退化，普遍存在健康問題，很多問題需要長期監護，但是不可能一直住在醫院接受治療。另外，針對一些慢性疾病，需要監測發病時的生理參數，但目前的監護方式卻需要將病人束縛在醫院，很難實現對病人的活動監護[3]。

近些年，隨著社會壓力的增大，生活節奏變得越來越快，很多年輕人也都處于亞健康狀態。長期處于這種亞健康狀態很容易引起各種疾病，嚴重的甚至會引起猝死，這種狀態嚴重地影響著人類的健康[4]。為了能夠實時檢測到亞健康人群的各項生理參數，及時了解人體健康狀況，為臨床診斷治療提供準確的依據，必須對人體的各種生理參數進行實時監測，以達到預防各種疾病的目的。

人體的血壓、心率、心電、血氧飽和度、體溫、輻射能量等生理參數是人體最基本、最重要的生命指標，對這些生理參數的監測能夠及時掌握其身體狀況的變化，最大限度地保障人們的身體健康[5]。人體各項生理參數反映著人體健康方面的信息，近年來，人們的醫療觀念逐漸從傳統的疾病治療向提前預防和保健護理方面轉變，希望能夠在家中就方便及時地了解病人、老年人和兒童等家庭成員的身體狀況，甚至希望在無人看管的情況下能夠隨時監護病人的健康狀態，實現對亞健康、潛伏性疾病人群的常見疾病以及突發疾病的早期發現和預測[6-7]。

便攜的人體生理參數監測設備能記錄攜帶者的健康信息變化情況，并將監測信息實時傳輸到醫生手里，供醫生做出及時的診斷和治療，提高了醫院對病人病情的診斷效率。對中老年人群而言，高效的監護手段可以帶來安全，同樣對于工作壓力巨大的青年人，在日常生活中可以得到全天24 h不間斷的監護，也能在很大程度上獲得安全感。目前生理參數的遠程監護已成為生物醫學工程領域的研究熱點[8-9]。

1 國內外研究現狀

1.1 生理參數監測設備研究現狀

生理參數監測設備在20世紀50年代左右就已經出現了，發展至今，監護儀已經成為了一種常規的醫學監測設備。按監測方式劃分，主要有穿戴式監測設備、便攜式監測設備、臺式監測設備等；按功能劃分，有心電監測設備、除顫監測設備、睡眠監測設備、多參數監測設備等。隨著科技的進步和經驗的積累，生理參數監測技術已經取得了很大的進步。在歐美一些國家，借助現在體積小、價格低的嵌入式計算機和更為發達的無線網絡技術，已經開發出了各種可穿戴式的監護系統，其產品性能穩定，價格與國內產品相比有很大的優勢。近些年隨著市場對健康監護設備需求的增加，許多科研機構、公司相繼開展了生理參數監測設備的研究與開發[10-12]。關于生理參數健康監測的產品或者研究成果層出不窮，圖1為市面上的一些醫用生理參數監測設備。

國外很早就對生理參數監測設備研制投入了大量的人力物力，歐盟信息社會技術的FP5項目所研制的腕戴式生理參數監測儀AMON，在生理參數監測領域最先取得較大的進展，開發出了一種腕戴式的遠程醫療監護設備。該設備功能比較強大，將多個傳感器集成到腕帶上，可以連續采集心電、血壓和血氧飽和度信息，還可以將數據用蜂窩網連接到醫學中心，對測量數據實時處理，并具備保健和報警等功能[13-14]。另外一個有代表性的設備是美國Vivo Metrics公司開發的可穿戴的背心式的生理參數監測設備Life Shirt，即生命衫，如圖2所示。該設備通過多生物傳感器監測人體的不同生理參數，如心電、血壓、心率、體溫以及呼吸等[15-18]，目前已經被100多家醫院采納并作為臨床醫療儀器，對生理參數監測領域做出了巨大的貢獻，但該設備采集到的數據不能實時傳輸，因此無法實現遠程實時監控的功能，只能作為醫院里的定點醫療器械。美國 Zephyr公司的 Bioharness便攜式生理參數測量系統將傳感器嵌入到胸帶上，如圖3所示，可以監測心電、心率、體溫、呼吸、身體動作等，對數據可以進行實時分析或者儲存在計算機上進行后續分析。

圖1 醫用生理參數監測設備Fig. 1 Medical physiological parameter monitoring equipment

圖2 Life Shirt 穿戴式生理參數監護系統Fig. 2 Life Shirt wearable physiological parameter monitoring system

國內在生理參數監測領域的研究起步較晚，與國外還有一定的差距，但是隨著我國經濟實力的提高和對健康監護的重視，在該領域也已取得了一定的成就?，F在我國市面上也有一些技術比較成熟的便攜式生理參數監測儀器，其中以北京美高儀、深圳邁瑞等為代表，其他就是一些高校和研究院的研究成果。吉林大學研制了穿戴式人體生理參數監測系統，如圖4所示，可以測量人體的心電信號、血壓、體溫、心率、血氧飽和度等生理參數，功能比較齊全，但在穿戴舒適度、便攜性和測量準確度方面還存在不足之處[19-20]。北京理工大學研究的便攜式多參數智能醫療系統，可監測的參數有心電信號、血壓、心率和血氧飽和度，可以實現這些參數的采集、處理、顯示和儲存功能，并可以通過無線網絡與手機進行互聯，完成數據的交互功能[21]。江蘇大學的多參數人體生理信號動態檢測系統可以實現對人體體溫、脈搏以及血氧飽和度等生理參數的監測，而且可以通過無線網絡通信模塊將數據上傳至終端，進行分析和處理[22]。南昌航空大學研制的可穿戴遠程健康監測預警系統可檢測人體的心電、呼吸、血氧飽和度等生理參數，實現了生理參數監測系統的便攜化，而且該系統集成了多種生理異常評價算法及老年人姿態跌倒預警機制，可用于老年人防跌倒及預警[23]。劉紅等設計的人體健康智能監護系統，可實時監測人體血壓、體溫、心率、脈搏、心音等情況，該設備的靈活性較好，且可擴展性較強，具有一定的便攜性和易用性[24]。中國科學院電子學研究所的盛婷鈺等設計了腕表式睡眠呼吸暫停監測系統，可以監測用戶的呼吸氣流、血氧飽和度、心電圖和胸腹運動情況，判斷呼吸是否暫停，可以記錄整晚呼吸暫停的次數，同時可以將測得的數據通過藍牙模塊發送到終端，對數據進行分析，該系統的優點是佩戴方便、便攜性好，缺點是功能比較單一[25]。

圖3 Bioharness 便攜式生理參數測量系統Fig. 3 Bioharness portable physiological parameter measurement system

圖4 吉林大學設計的穿戴式人體生理參數測量系統Fig. 4 Wearable measurement system of human physiological parameters designed by Jilin University

近幾年健康監護設備的發展情況說明，我國在該領域的發展還是卓有成效的，但距離國外發達國家還有著一定的差距，因此還需政府、研發機構以及醫療部門齊心協力來促進該領域的進一步發展。

1.2 生理參數監測技術研究現狀

現有生理參數監測設備可以監測的數據主要是心電、血壓、血氧飽和度、心率、呼吸和體溫等，監測設備的類型雖然比較多，但其檢測原理大多類似。血壓采集：主要采用光電容積法，利用脈搏波信號和脈搏波傳導時間提取特征參數，選擇相關性較高的特征參數建立相應的血壓計算模型，最終確定血壓值[26-30]，還有一種方法是通過采集ECG（electrocardiogram）信號和PPG（photoplethysmography）信號，提取特征值并建立血壓模型，從而確定血壓值[31-32]。血氧飽和度采集：主要根據氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對不同波長的入射光反射的區別，通過傳感器探測和接收光電信號，通過處理即可算出血氧飽和度值[33-35]。心電信息采集：以氯化銀電極片貼于人體胸腹和手腳，采集體表任意相隔一定距離的兩個部位間形成的電位差，來獲取心電與呼吸的信息，該方法具有價格低廉、信號穩定的優點[36-38]，還有一種電極是接觸式干電極，相較于濕電極，其無需涂抹導電膏，可以實現運動狀態下的心電信號采集，其中織物電極如帽子等，可從穿戴式電極的數據獲取心電信息，因此被廣泛應用于穿戴式醫療設備[39]。

目前，生理信息技術的研究難點以及關鍵點主要是生理參數采集技術和生理參數傳輸技術。其中生理參數采集技術的研究重點主要是血壓參數、心電參數、血氧參數等主要參數的采集。黃俊驍等設計了警員可穿戴多體征參數監測系統如圖5所示，其中警盔利用反射式探頭采集光電容積脈搏波，即PPG信號，用來檢測血氧飽和度，利用T恤上導電硅膠和 ADS1292R 采集心電ECG信號，來達到檢測心電和心率的目的[40]。浙江大學的許文媛等利用成像式光電容積描記技術，通過高速攝像機實現了非接觸式獲取脈搏波信號的相位差和心率，根據人體血壓值與脈搏波相位差和心率的關系，通過曲線擬合得到血壓值計算函數，從而實現了基于高速攝像機的動態血壓非接觸獲取[41]。蔣曲博等設計了反射式血氧飽和度檢測系統，提出了一種基于集成芯片AFE4490的脈搏血氧信號監測方案，并利用基于小波變換的濾波算法實現了對血氧信號的去噪處理，獲得了高質量的反射式容積脈搏波[42]。武漢大學的廖遠等設計的低功耗便攜式多導聯心電信號采集系統，采用直流耦合方法，通過生物電位測量ADS1298模擬前端，并在其中通過可編程儀表放大器進行放大，最終實現微弱心電信號的采集和獲取[43]。李艷設計了基于柔性電子技術的可穿戴式產品系統，如圖6所示，采用了目前非常熱門的柔性電子技術，基于柔性石墨烯織物心電電極設計了柔性可穿戴背心，并可以將數據傳輸到手機終端顯示，用戶舒適性較好，不失為未來的一個大的發展趨勢[44]。

圖5 警員可穿戴多體征參數監測系統Fig. 5 Police wearable multi-sign parameter monitoring system

生理參數傳輸技術主要包括生理信息的上傳、處理、顯示以及人機交互等，遠程數據傳輸主要是采用WLAN、GPRS、4G等，低功耗近距離傳輸則主要是利用藍牙、ZigBee等。隨著科學技術的發展，如今手機、電腦等都內嵌藍牙模塊，因此可以利用藍牙模塊將數據直接傳輸到移動終端上顯示，只需在手機和電腦上安裝指定的App，即可實現生理參數的實時監測[45]。中國計量大學的竺春祥等設計了基于ZigBee網絡的可穿戴生理參數監測系統，通過ZigBee網絡實現數據的發送和接收，協調器通過網關將數據傳輸到網絡服務器，相關人員可以通過客戶端遠程訪問網絡服務器，實時了解被測人員的生理參數。該系統檢測精度高、便攜性好、功耗低、性價比高[46]。江蘇大學的王娟等設計了基于Android平臺的多生理參數監測系統，可以實現三個功能：信號采集、將信號通過藍牙模塊傳輸到手機終端、在手機終端實現心電、脈搏波波形繪制以及心率、呼吸、血氧和脈搏值的實時顯示[47]。曹德森等設計的隨行生理監護系統由隨行生理參數監測終端、中央監護系統以及無線組網和數據傳輸模塊組成，利用基于WIFI技術的組網系統實現數據傳輸，通過后臺數據服務器和算法服務器對隨行生理參數監測終端監測到的數據進行顯示和處理，并支持醫療大數據深度挖掘和分析應用[48]。

圖6 基于柔性電子技術的可穿戴式產品系統Fig. 6 Wearable product system based on flexible electronic technology

隨著傳感器技術和互聯網技術的不斷發展，生理信息采集技術和傳輸技術也在不斷發展，如柔性電子應變傳感器、電子皮膚觸覺傳感器等新技術傳感器，以及基于藍牙、ZigBee網絡、WIFI的物聯網與大數據信息處理技術和無線移動互聯網技術，這些技術正是目前生理參數監測設備的關鍵技術，因此生理參數監測技術的發展也在帶動著生理參數監測設備的飛速發展。

2 總結與展望

目前國內在生理參數監測領域的研究大都停留在研究階段，很少有比較成熟的、可以面向市場投入使用的設備和系統，而國外很多產品都已經商品化了，因此在該領域還要我們投入更多的人力物力進行研究。生理參數監測的方式也在不斷發展，從個人監測到大眾監測，從單生理參數到多生理參數，從單臺設備監測到多臺設備互聯監測，從醫院監測到社區和普通家庭的使用，需要有更多的產品來滿足人們的需求。但是目前生理參數監測設備還存在著一些問題，如體積較大、功耗較大、便攜性較差、操作比較繁瑣、設備昂貴、需要專業人員操作等，這對測量人員的素質、監測裝置和檢測技術都提出了新的要求。

現有生理參數監測技術，雖然在生理信息的采集、處理、傳輸以及預報警上有不少新的方法，但大部分還處于初步探索階段，暫時還不能應用于臨床，技術標準還需要實現共享和實現通用，臨床檢測數據還需要進一步研究。但隨著傳感器技術、信息處理技術以及互聯網技術的發展，該領域的技術也在飛速發展，醫療監護領域將會迎來新的變革。

目前生理參數監測設備和生理參數監測技術主要的發展趨勢有：

（1）便攜化。在保證設備功能和測量精度的前提下，減小設備的體積，減輕設備的重量，以達到方便用戶使用和攜帶的目的。

（2）智能化。設備功能越來越完善，可測量的參數越來越多，且越來越智能，不僅有基本的生理參數檢測，還可以增加一鍵呼叫醫生和子女等非常人性化的功能，利用人工智能和大數據處理技術，使人機交互更加人性化。

（3）精準化。醫療數據的高準確性是醫療設備的必備要求，也是醫生指定醫療方案和計劃的基礎。生理參數監測設備作為一種醫學設備，其準確度影響著醫療質量和生命安全，因此生理參數監測技術需要不斷突破，達到更高的精度。

（4）網絡化。通過網絡、藍牙、局域網等方式，將測得的數據實時傳輸至云端，對數據進行處理和分析，供用戶參考。

（5）模塊化。使用豐富的模塊化設計，可以根據用戶的不同要求定制不同的模塊，從而實現資源的最大利用。

本文概括了生理參數監測設備和生理參數監測技術國內外的研究現狀，并對該領域今后的發展趨勢提出了展望。生理參數監測設備作為一種醫療器械，對醫療質量和用戶的健康安全會產生巨大的影響，因此生理參數監測領域需要不斷發展，也需要更多研究人員的投入，共同促進該領域的進步。