远距离病人监测：重塑21世纪医疗保健技术与趋势

　　能效对于医疗保健设备越来越重要，提高能效是研发人员的重要设计目标。半导体技术有助于提高医疗保健设备的经济性、易用性和产品品质，把医疗保健服务范围扩大到保健和疾病预防领域，远距病人监测技术在其中发挥着重要作用。一个远距病人监测平台必须能够监测人体的各种生理参数，支持监测服务的个性化要求，而监测服务个性化需要监测设备能够随身配戴，扩展系统容量，与其它设备交互操作，联网传输资料，提供资料安全功能，高能效，可一次性使用。

　　意法半导体开发出一个有望具有这种灵活性的健康监测系统（Health Monitoring System，HMS），为该平台整合各种设备，包括一套传感器（传感器套件）和一个使用者可以配戴的资料处理及网络连接设备人体闸道（Body Gateway，BGW），以及主通讯设备、伺服器和资料库。目前，传感器套件和人体闸道是这个项目的研发重点，而平台验证用伺服器和资料库已是定义并部署。意法半导体还开发出一个在便携式终端上使用的患者监测应用示例，让患者能够直接查看部分被监测的生理参数。

　
　图 1 健康监测系统架构

　　图1所示健康监测系统的架构，由以下模块组成：

　　（1）传感器套件：是一套体内传感器和体外传感器，包括一个3轴加速度计和一个压力传感器，监测生命体征和生理参数，例如，心电图 （ECG）、心率、人体活动量、血压和体重。

　　（2）人体闸道设备：是一个使用者随身配戴的资料处理和网络连接设备，用于采集传感器资料，执行初步处理，保存资料，准备通过网络把资料传输到远距应用伺服器，人体闸道设备负责向使用者发送报警信号和信息，管理使用者与服务提供者之间的通讯介面。

　　（3）主通讯设备：是人体闸道设备与远距伺服器之间的沟通桥梁。当需要发送资料时，人体闸道设备用于建立网络连接。主通讯设备通过网络在患者地点与远距应用伺服器之间传输资料，主通讯设备装有一个使用者绘图介面，用于患者向医生咨询病情。

　　（4）临床试验服务库和服务架构：表示远距处理器软硬件架构，负责建立安全连接，验证用户身份，采集人体闸道收到的资料，提供健康咨询和监测功能，向使用者发送报警报和信息。这些伺服器代表服务提供中心的所有服务。

　　人体闸道

　　人体闸道是一个具有资料处理和网络连接功能的设备，整合一个控制器兼资料处理器，能够连接可扩展的模拟前端和多个随身配戴的传感器和体外设备传感器，还能提供资料传输功能。人体闸道的内核是一个内建512MB快闪记忆体的32位元ARM Cortex微控制器。选择这款微控制器的原因是这款产品具有灵活的架构和低功耗特性。因为蓝牙是目前主流手机的标准配置，网络覆盖范围适中，患者用户都能使用，所以通讯介面选用蓝牙。板载作业系统是获得认证的510k即时作业系统。

　　人体闸道设备原型由三个协同系统组成：

　　（1）1个电子信号检测系统：用于监测心脏活动；

　　（2）1个生物电阻抗检测系统：用于监测呼吸活动和电极接触；

　　（3）1个加速度检测系统：用于监测身体位置和活动

　
　图 2 PBGW项目架构

　　图2所示是项目设计架构，包括硬件、协议栈和应用软件。实践证明，这个分层架构适合不同的业务模型，允许使用者按照自己的需求定制设计。在原型设备中，电子元件组装在一个密闭的高强度塑胶模块内，模块外部涂有橡胶保护层，增加用户的使用舒适度（图3）。这个随身配戴的平台架构的验证工具是已被临床医学所采用的充血性心衰（CHF）应用协议。

　　
图3 弹性粘贴式人体闸道模块原型

　　人体闸道提供一个灵活的可无缝扩展的系统架构，把应用范围扩展到各种医学病症。除充充血性心衰外，平台将支持肥胖症（代谢综合症）、阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）、心房颤动（AF）病症。表1列出了人体闸道从最初产品原型到支持不同应用的终端产品的主要特性变化，图4是人体闸道设备的结构框图。

　　表 1 人体闸道从最初产品原型到支持不同应用的终端产品的主要特性变化

 

　　
图 4 终端的人体闸道模块结构框图

　　传感器和资料处理

　　意法半导体的健康监测系统是一个不断演进的项目，有几项技术还在开发中。多元化的传感器组合可以测量更多的生理参数，例如，光传感器能够测量化学物质，如血液中的氧含量；温度测量系统通过测量体表温度和热通量能够监测新陈代谢活动。

　　我们还可以通过其它方式利用传感器来提高生理参数的检测精度，扩大检测范围。例如，加速度计可用作话筒监测心脏和呼吸，而生物电阻抗检测可以扩展到不同的工作频率，进行非侵入式葡萄糖估测。

　　通过整合不同传感器输出可以提高测量精度，提高资料表示方法的可靠性（图5）。信号融合技术能够整合不同传感器的输出资料，取得更高的能效，从不同的传感器采集相同的生物参数，经过资料整合后，提供更可靠的估测结果。例如，用一个电脉冲信号、生物电阻抗信号、加速度计信号和光信号可以检测心率，可用更智慧的方法整合不同传感器的输出信号。例如，利用一种主动式杂讯消除技术去除假运动信号，加速度计信号可以清除其它信号。利用电阻抗信号监测心电仪电极接触品质，提高电图的可靠性。

　　
图 5 信号融合

　　生物参数融合可产生更大的效果。例如，比较心率与身体活动量：高心率和高身体活动量不会触发报警，相反，当睡觉时（传感器未检测到高身体活动量且身体水准时）心率高则会被认为是异常事件，例如， 心动过速。多参数监测可以为统计分析和医学研究提供重要的信息，还能简化职业体育训练，提高训练效率，例如，健身课。

　　平台演进

　　能够长期监测多个参数的电子粘贴片将给使用者带来很多好处，包括发现罕见但重要的异常事件后提前报警、治疗方法和药物的长期疗效验证以及医学研究的统计分析验证。

　　互通性是人体闸道消费大众化和端对端（患者到护理中心）基础设施发展的重要条件。康体佳健康联盟正在制定互通性指导原则。意法半导体是该联盟的成员。

　　从技术革新角度看，深入分析应用要求有助于降低人体闸道的资料发送量，提高资料预处理能力。粒度电源管理，开发功耗更低的软件库，降低每个资料位元的能耗，是我们的另一个主要研究方向。设想一下，如果把设备功耗降一个量级，那么获得发展机会的是采用能源收集技术供电的设备，而非电池供电应用。Bluetooth Low Energy等低功耗射频技术是平台准备整合的待选通信技术之一。

　　最后，系统芯片的上市将会降低人体闸道设备的成本、尺寸和重量。

　　消费大众化将会降低医疗保健设备的价格，让更多的人能够使用医疗保健设备。病症预防预测技术需要监测生理参数，以发现存在的风险和无症状病症。大多数设备无需美国食品药物监督局的批准，也有可能不受到传统医疗报销制度的限制。例如，受到糖尿病威胁的人群和糖尿患者者的比例是10:1，睡眠呼吸暂停症患者数量也十分庞大，医疗保健设备在糖尿病和睡眠呼吸暂停症护理市场呈现大众化消费趋势。当成本很低时，大多数电子粘贴片将会成为一次性消费品，当然，产量增加将会加快消费大众化过程。

　　总之，以21世纪医疗保健为目标的研发征程将会为人们确立新的生活品质标准，将会让医疗保健设备的应用范围扩展到保健、病症预防预测领域，通过不断地降低医疗成本提高人们的生活品质，让更多的人能够享受医疗保健服务。