可穿戴医疗设备传感器技术的新兴应用

从简单的计步器到检测使用脉搏血氧饱和度甚至汗水成分的设备,新一代可穿戴设备将传感器、AI和机器学习结合使用,以改善甚至挽救生命。

  如今,可穿戴设备所带来的不仅仅是简单的健身追求。

  当人们听到“可穿戴设备”的声音时,很容易就将这种现象简单化为的健身追踪器或光滑的智能手表,但是在新兴的健康技术世界中,新设备正在推动着可穿戴医疗设备界限的突破。

  从简单的计步器到检测使用脉搏血氧饱和度甚至汗水成分的设备,新一代可穿戴设备将传感器、AI和机器学习结合使用,以改善甚至挽救生命。

  以美国用于治流行病的阿片类药物为例,据估计,每天有超过115人因此丧生。因开阿片类药物处方过多,据估计,美国人每写100片阿片类药物处方58张,这导致了成瘾、药物过量甚至死亡的急剧上升。

  这造成了名副其实的公共卫生危机,公共部门和私营部门都在争相寻求解决方案,从采取措施降低初始处方率到帮助已经上瘾的人们。在2018年5月,FDA甚至发起了自己的创新挑战黑客马拉松,以众包解决该问题的创造性解决方案,收到了250多项申请。

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  可穿戴设备用于挽救生命

  卡耐基梅隆大学的学生创造了一种可穿戴腕带,该腕带是FDA挑战中获胜的设备之一,被称为Hope Band。

  专为高危上瘾者佩戴而设计,它使用脉搏血氧饱和度测定法,可通过皮肤发出LED发出的光,而传感器则可以检测光吸收的变化,这是血液中氧气水平的预测指标,也是血液中最可靠的指示过量。

  如果设备检测到氧气水平已降至危险水平,它将首先继续监视10秒钟,先排除错误的读数,然后如果预测结果依然过量,那设备将响起警报并闪烁。它还可以与智能手机配对,以在发现过量的情况下呼叫紧急服务或警告联系人。这种早期警报系统可使急救人员使用挽救生命的纳洛酮,这种药物可逆转阿片类药物过量的影响。


  但卡耐基梅隆大学的团队认为该设备仍然面临着众多挑战。

  首先,它目前只能在动物身上测试该设备,因为对过量使用人类进行测试是非法的。其次,生命因人而异,故设备也需要做到因人而异。因此团队希望在下一次迭代中将更好的机器学习算法应用于其数据,以提高预测准确性。另外,第三个难题可能是,如果没成瘾者偷走了成瘾者佩戴的设备,将会产生不好的社会影响。

  此外,还有其他帮助成瘾者戒断的可穿戴设备。比如,通过在耳朵后面放置小芯片的磁场来刺激大脑,发出电脉冲来刺激某些颅神经的分支的传感器设备。当成瘾者试图将自己从阿片类药物中撤离时,设备将会刺激患者神经,以帮助减少疼痛或实现其他具有挑战性的戒断症状。

  针对帕金森氏症患者的可穿戴设备,持续监测和减少震颤

  帕金森氏病(PD)惠及全球1000万以上的人,如今,可穿戴设备正在彻底改变帕金森氏症患者苦恼的各种状况,主要是在症状的诊断和监测方面,还有缓解症状方面。

  PD研究中,大多数技术都使用诸如加速度计和陀螺仪之类的传感器来捕获数据,以助于改善PD诊断,但持续进行常规临床检查,持续监测症状很难实现。因为医生不会长时间陪伴患者,因此必须依靠患者的病例报告。

  而可穿戴式传感器则可以连续不断地传递大多数可靠的信息,甚至可以将数据立即上传到云中,以便医生可以相应地调整药物或治疗计划。可穿戴设备还可以帮助患者坚持规定的锻炼计划,并提醒他们何时应服用药物。

  为了易于使用,可以将设备戴在手腕,躯干甚至脚踝上,并且像大多数可穿戴设备一样,可以将它们与智能手机配对以实现更多功能。一些研究人员发现,附着在皮肤上并能够灵活移动的柔软可穿戴传感器比刚性可穿戴带更有用,因为它们在传感器放置方面具有更大的灵活性,并且有时对穿戴者的阻碍较小。

  市场上已有的某些设备通过测量的设定时间段来测量运动迟缓(运动缓慢,PD的主要表现之一)和运动障碍(肌肉不自主运动)。

  像微软这样的大型科技公司也涉足PD领域的可穿戴设备原型,不仅用于监控,还用于帮助减轻症状。该公司于2017年推出了Emma's Watch,该设备以一位年轻的英国平面设计师和PD患病者Emma Lawton的名字命名,该设备使用振动电机来减少震动。劳顿本人报告说,由于该设备仍在开发中,她的书写能力有了显着提高。

  设置带有可穿戴设备的PD患者的另一个优势是,可以在全球范围内收集更大的数据集,从而极大地帮助临床试验和研究以用于未来的治疗。

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  通过可穿戴设备进行监控人体的血汗信息

  现在,即使是汗水也可以通过可穿戴设备进行监控,以获取各种好处,包括为手机供电。

  去年在《能源与环境科学杂志》上的一篇文章讨论了一种可拉伸的纺织品,它具有内置的超级电容器-生物燃料电池(SC-BFC)混合系统,可吸收穿戴者的汗水并将其转化为可用能量,然后将其存储起来以用于以后使用。显然,汗液中的生化能量可以被酶氧化,产生所要的能量,然后将其存储在使用MnO2 /碳纳米管复合材料的模块中,“该模块具有较高的面电容和循环电化学稳定性。”

  其他基于汗液的可穿戴设备可测量电解质的浓度,甚至可以测试诸如囊性纤维化和糖尿病之类的东西。

  为此,将传感器和微处理器粘附到人的皮肤上,形成一个微型的离子电渗疗法接口,然后用电流刺激汗腺。汗液排出后,将对其进行处理以检测各种分子和离子的存在,这些分子和离子可根据不同的电信号进行检测。

  例如,如果要在汗液中检测到高水平的氯离子,则佩戴者很可能患有囊性纤维化。如果测量到高水平的葡萄糖,这将是糖尿病的良好预测指标。

  由于传感器非常精确,因此可以用很少的量就可以完整地显示一个人的健康状况,从而有可能实现高度针对性和个性化的医疗保健,并可以衡量人们对各种药物的反应程度,包括各种维生素、运动方式等。

  现在,在我们的生活中,可穿戴设备扮演着越来越重要的角色:不仅可以帮助一个人监视他们目前的健康状况并跟踪自己的进度,而且可以通过大规模分析当前可穿戴数据,可以建立一个人体、家庭甚至种族的大数据,以供子孙后代参考。

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传感器大佬

比易烊千玺帅一点点的传感器从业者。