可穿戴健康監(jiān)測產(chǎn)品及其傳感器（一）

前言

隨著科技的飛速發(fā)展，可穿戴設(shè)備已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。這些小巧輕便的設(shè)備不僅能夠提供便捷的信息獲取方式，更在健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。本文主要探討可穿戴設(shè)備在血壓檢測、血糖檢測、壓力檢測以及睡眠質(zhì)量檢測等方面的監(jiān)測原理，以及相關(guān)的傳感器技術(shù)。

01 健康監(jiān)測設(shè)備里的主要監(jiān)測信號/

目前常見的健康監(jiān)測設(shè)備常見的形態(tài)包括手環(huán)、手表、指環(huán)、貼片等等。這些可穿戴設(shè)備主要通過集成多種傳感器，能夠監(jiān)測心率、血壓、血氧飽和度、睡眠質(zhì)量、壓力水平等生理參數(shù)。這些數(shù)據(jù)對于預(yù)防疾病、管理慢性疾病、伴隨治療以及提升生活質(zhì)量都具有重要意義。常見的主要監(jiān)測信號包括：

心率、血氧、血壓、血糖、睡眠質(zhì)量、溫度、壓力等。

02 不同生理信號的探測原理/

心率監(jiān)測原理

目前來說，心率監(jiān)測原理有三種：

光電反/透射測量法：通過LED光源發(fā)出一束光打穿透皮膚照射至血管處，測量反射/透射的光信號。因?yàn)檠簩μ囟úㄩL的光有吸收作用，每次心臟泵血時，該波長都會被大量吸收，以此就可以確定心跳。

心電信號測量法：通過測量心肌收縮的電信號來判斷使用者的心率情況，原理和心電圖類似。

電脈沖測量法：因?yàn)槊看涡奶紩鹕眢w的震動，通過高精度的傳感器捕捉這種震動，再經(jīng)過信號處理就可以得到心跳。

其中健康手環(huán)中基于第一種光電反射式的方法的產(chǎn)品比較多。其主要依靠一個LED光源和光電探測器組成的光電容積描記術(shù) (PPG) 傳感器，基于第二原理可以得到更高精度心率信息，對應(yīng)心電圖（ECG）傳感器。PPG這是一種在可穿戴設(shè)備行業(yè)測量心率的常用傳感器技術(shù)。簡單來說，PPG 傳感器通過向手腕皮膚直接發(fā)射光線，然后測量血液流動反射或散射的光量來估算心率。PPG 傳感器收集的原始數(shù)據(jù)隨后由專為算法進(jìn)行解讀，并在此過程中轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確的心率估計值。這需要去除任何會影響數(shù)據(jù)從而無法提供準(zhǔn)確測量結(jié)果的 “噪音”。

2. 血氧監(jiān)測

很多朋友最初接觸到血氧監(jiān)測應(yīng)該是在疫情階段，血氧監(jiān)測的原理簡單來說可以歸納為兩句話：

1）血紅蛋白 (Hb) 會吸收光線。吸收的光量與血液中 Hb 的濃度成正比。

2）富氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對不同波段光的吸收不同

血氧監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)同樣可以通過PPG傳感器得以實(shí)現(xiàn)。通過PPG傳感器的心率監(jiān)測過程，血氧信號也會同步根據(jù)心臟的跳動而脈動。因此，通過信號處理分析提取血液脈沖成分（AC信號），并忽略所有非血液信號（DC信號），并結(jié)合外部電路、算法處理可得到血氧信息。

3.血壓監(jiān)測

基于手表、指環(huán)這一類小型消費(fèi)級可穿戴式血壓測量設(shè)備在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上是有一定難度的，與傳統(tǒng)的袖帶式血壓測量設(shè)備相比，測量信號的準(zhǔn)確性是一大性能挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的袖帶式血壓測量設(shè)備的測量原理均為“示波法”(又稱振蕩法)。在袖帶放氣過程中,通過脈搏波的幅值關(guān)系找到對應(yīng)壓力信號,對應(yīng)的壓力值就是需要測量的血壓值。基于手表這類的血壓監(jiān)測，也可以類似示波法的方式實(shí)現(xiàn)測量，依靠手腕上的微氣囊(袖帶)測壓,與上臂袖帶示波法的測量模式和原理相同，但是由于其產(chǎn)品形態(tài)本身的限制，測量準(zhǔn)確性較傳統(tǒng)臂式測量設(shè)備較低。

圖片來源：智能可穿戴設(shè)備在中青年血壓管理中應(yīng)用中國專家共識10.16439/j.issn.1673-7245.2022.08.005

還有一類可穿戴的血壓測量設(shè)備是無袖帶血壓測量的移動設(shè)備，其主要通過光電容積、心電圖估算血壓值和手指紅外感應(yīng)、超聲等原理獲得血壓值的,其測量的精度與可靠性有待考證。

基于無袖帶式的血壓測量設(shè)備的原理較多，其中一個實(shí)現(xiàn)方案是結(jié)合心電圖和PPG傳感器的脈搏波傳導(dǎo)時間法，脈搏波從心臟傳導(dǎo)至PPG信號測試點(diǎn)的時間差,稱PTT的血壓測量模型,通常使用心電圖作為PTT的起點(diǎn),指尖記錄的PPG信號作為PTT終點(diǎn)。通過識別心電圖和PPG主波峰的信號得到兩個主波峰的時間間隔。運(yùn)用線性回歸方程校正系數(shù)計算出收縮壓,因需要隨著人體活動不斷對模型進(jìn)行校準(zhǔn),計算舒張壓的性能較差。

此外還有脈搏波特征參數(shù)法，即通過建立脈搏波特征參數(shù)與血壓的關(guān)系推導(dǎo)出血壓特征參數(shù)方程實(shí)現(xiàn)血壓測量,此方法對PPG信號完整程度要求高。

4. 血糖監(jiān)測

在智能穿戴領(lǐng)域，血糖監(jiān)測功能一直備受各大廠商關(guān)注。蘋果目前在無創(chuàng)血糖監(jiān)測技術(shù)取得突破性進(jìn)展，將在Apple Watch上搭載該功能。據(jù)了解，這個項(xiàng)目被稱為E5，研究的主要目標(biāo)就是在不刺破皮膚取血的情況下，測量人體血液中葡萄糖含量。

知情人士稱，血糖監(jiān)測系統(tǒng)將依賴蘋果設(shè)計的硅光芯片和傳感器，蘋果開發(fā)的這種硅光子芯片，通過收集激光照射到皮膚后傳回的光學(xué)吸收光譜，來確定體內(nèi)的葡萄糖濃度。血氧檢測按照創(chuàng)口類型可以分為有創(chuàng)測量、無創(chuàng)測量、微創(chuàng)測量。

傳統(tǒng)的有創(chuàng)血糖監(jiān)測是基于電化學(xué)原理的有創(chuàng)血糖測量，即基于電流計和電壓計原理。此外還可基于光傳感器原理進(jìn)行測量，光學(xué)葡萄糖傳感器使用一種凝血素物質(zhì)和熒光試劑來探測不同濃度的溶液。這類檢測都需要扎手指，病人的用戶體驗(yàn)感差，因此后來微創(chuàng)測量技術(shù)逐漸興起。

微創(chuàng)式血糖測量包括針刺式和激光采血式。針刺式采用皮下傳感器原理，激光式使用激光取代穿透微針頭實(shí)現(xiàn)取血，減少了針頭接觸帶來的交互感染的發(fā)生，疼痛較輕。

近年來無創(chuàng)血糖測量技術(shù)也在不斷突破，無創(chuàng)血糖可以分為直接測量和間接測量，前者基于葡萄糖分子結(jié)構(gòu)，后者監(jiān)測葡萄糖對第二過程比如PH的影響。但是由于間接測量在實(shí)現(xiàn)上實(shí)質(zhì)是通過體液葡萄糖含量推測血液葡萄糖含量，其并不能建立較好的一一對應(yīng)關(guān)系致使檢測結(jié)果有時不能準(zhǔn)確體現(xiàn)病理變化，因此真正有病理意義的還是直接測量。在《光學(xué)無創(chuàng)測量血糖新技術(shù)》一書中，作者介紹了目前主流的和新興的無創(chuàng)血糖測量。包括：電阻抗法、吸收光譜法、旋光法、拉曼光譜法。

5.?睡眠質(zhì)量檢測

睡眠質(zhì)量檢測是一個多傳感+算法融合的過程?？纱┐髟O(shè)備通過內(nèi)置的加速度傳感器和光電傳感器來監(jiān)測用戶的睡眠狀態(tài)。加速度傳感器能夠獲取用戶的體動特征，判斷用戶是否處于睡眠狀態(tài)；而光電傳感器則通過心率、心電信號來分析睡眠質(zhì)量。不同探測器分別對采集的心電信號和體動信號進(jìn)行濾波處理與算法分析，獲得睡眠時長、體動次數(shù)、心率變化等參數(shù)。再通過睡眠分期算法的分析，得出用戶的睡眠質(zhì)量報告。

6. 壓力檢測

壓力檢測是評估用戶心理狀態(tài)和生活壓力的重要指標(biāo)。可穿戴設(shè)備通常采用心率變異性（HRV）和壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)壓力檢測。HRV傳感器通過分析用戶心率的變化來評估壓力水平，而壓力傳感器則直接測量用戶皮膚表面的壓力變化。研究表明，結(jié)合這兩種傳感器技術(shù)的可穿戴設(shè)備在壓力檢測方面具有較高的準(zhǔn)確性和靈敏度。包括壓力監(jiān)測在內(nèi)的心理狀態(tài)檢測是十分有意義的，尤其是對于有精神障礙的人來說。

實(shí)際上心理壓力會根據(jù)不同的壓力和類型有不同的呈現(xiàn)形式，單一的信號是很難進(jìn)行全面的監(jiān)測、分類和判斷的，因此對應(yīng)的傳感器類型也有很多。雖然現(xiàn)有產(chǎn)品上的傳感器件和監(jiān)測模式相對單一，但是未來發(fā)展趨勢一定是會向著更多傳感和信息的集成發(fā)展。

加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的一個研究團(tuán)隊開發(fā)了一種智能手表，能夠準(zhǔn)確、無創(chuàng)、實(shí)時地評估汗液中的皮質(zhì)醇水平。皮質(zhì)醇是一種類固醇激素，通常被稱為“壓力激素”，因?yàn)樗谏眢w對壓力的響應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)身體或心理受到壓力時，無論是急性的還是慢性的，腎上腺會釋放皮質(zhì)醇來幫助身體應(yīng)對壓力。皮質(zhì)醇水平可以為佩戴者提供壓力等生化指標(biāo)的信息。皮質(zhì)醇非常適合通過汗液進(jìn)行測量，通過追蹤汗液中的皮質(zhì)醇，將能夠以可穿戴的形式監(jiān)測這種變化，從而分析用戶的精神狀態(tài)。

03 可穿戴傳感器件/

由上面的討論可以看到，雖然現(xiàn)在的很多穿戴式健康監(jiān)測產(chǎn)品的產(chǎn)品形態(tài)比較多（手環(huán)、手表、指環(huán)、耳機(jī)等），可監(jiān)測的生物體征信號也較多，但是其直接獲取的信號的關(guān)鍵傳感器數(shù)目和種類相對比較局限，因此探測信號的準(zhǔn)確度和可信度明顯低于專業(yè)醫(yī)療設(shè)備，因此其提供信息只能用于日常健康監(jiān)測而不可用于強(qiáng)醫(yī)療目的的場景。

目前產(chǎn)品里的心率監(jiān)測、血氧檢測、血壓檢測都借助PPG傳感器、ECG傳感器得以實(shí)現(xiàn)。皮膚溫度等可借助溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，體動和運(yùn)動監(jiān)測可通過加速度傳感器實(shí)現(xiàn)。

1.PPG傳感器

PPG傳感器，全稱為光電容積脈搏圖（Photoplethysmogram）傳感器，是一種利用光學(xué)原理來監(jiān)測血管容積變化的生物傳感器。集成的PPG傳感器由多個發(fā)光二極管（LED）和一個光電探測器（PD）組成，其工作原理是光電探測器測量皮膚表面反射光的變化來形成PPG信號。在光源照射下，皮膚內(nèi)的血液容積會發(fā)生三種情況：一定量的光被吸收、一定量的光穿透、一定量的光反射。反射光的強(qiáng)度和采集部位（如腕部或指尖）的血液容量會隨著心跳的變化而變化。所測信號可分兩種，分別是從皮膚色素沉著，脂肪，肌肉，骨骼等部位吸光度不變的直流成分和從心臟所產(chǎn)生的血容量改變有關(guān)的交流成分。探測光照強(qiáng)度與時間關(guān)系曲線圖稱PPG信號， PPG信號各脈沖時間周期受心跳影響，振幅受動脈血液不同成分濃度影響。PPG主要應(yīng)用于以下信號檢測：

心率監(jiān)測: PPG傳感器可以實(shí)時監(jiān)測心率，對于運(yùn)動訓(xùn)練、健康管理等非常有幫助。

心率變異性（HRV）分析: 通過測量連續(xù)心跳間隔的變化，可以評估自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動。

血氧飽和度（SpO2）測量: 結(jié)合紅光和紅外光的PPG傳感器可以估算血液中氧氣的飽和度。

睡眠監(jiān)測: 通過監(jiān)測心率和心率變異性的變化，配合體動檢測結(jié)果，可以評估睡眠質(zhì)量和睡眠階段。

比較有意思的是結(jié)合多光譜技術(shù)還可以設(shè)計多光譜PPG。多波長光電容積脈搏圖（MW-PPG）傳感技術(shù)被認(rèn)為是優(yōu)于單波長光電容積脈搏圖（SW-PPG）傳感技術(shù)的。然而，由于傳感探測器的可用性限制，許多先前的研究只能使用傳統(tǒng)的笨重且昂貴的光譜儀作為探測器，因此無法將MW-PPG技術(shù)應(yīng)用于日常生活。國立臺北科技大學(xué)的團(tuán)隊開發(fā)了一種芯片級的多波長光電容積脈搏圖（MW-PPG）傳感器，使用了創(chuàng)新的芯片光譜儀，目標(biāo)是面向可穿戴應(yīng)用。結(jié)合信號處理方法，該設(shè)備可用于穩(wěn)定地提取PPG信號，信噪比（S/N）提高了高達(dá)50%，可實(shí)現(xiàn)血氧飽和度、血壓等多參數(shù)的測量。

PPG傳感器的工藝和材料選擇具備較大的多樣性，可以不基于傳統(tǒng)硅基工藝得以實(shí)現(xiàn)，因此具有低成本、多設(shè)計自由度等優(yōu)勢。

全球光電容積脈搏圖（PPG）生物傳感器市場規(guī)模在2022年估值為4.168億美元，并預(yù)計從2023年到2030年將以11.6%的復(fù)合年增長率增長。

2.ECG傳感器

ECG傳感器，即心電圖（Electrocardiogram）傳感器，是一種用來監(jiān)測和記錄心臟電活動的生物傳感器。它能夠檢測心臟的電信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成圖形，以便于分析心臟的健康狀況和功能。ECG傳感器的工作原理基于心臟細(xì)胞的電生理特性。心臟的每一次搏動都是由心肌細(xì)胞的電活動引起的。當(dāng)心肌細(xì)胞去極化和復(fù)極化時，會產(chǎn)生微小的電信號。ECG傳感器通過監(jiān)測電極檢測到由心臟電活動產(chǎn)生的電位差并將信號濾波、放大后結(jié)合算法分析得出心率等生理信息。

ECG和PPG雖然都可以獲取心臟活動信號，但是其原理不同，ECG主要借助心臟電信號探測，PPG借助光電信號探測。ECG和PPG各有優(yōu)劣，PPG在形態(tài)因素多樣性和生物特征多樣性方面表現(xiàn)突出。ECG比PPG對于生物電信號的探測速度更快，且不容易收到體表環(huán)境和體表差異等因素的影響。因此在心率監(jiān)測等檢測精度上更高。

04 健康監(jiān)測設(shè)備的未來發(fā)展趨勢/

隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步和算法的持續(xù)優(yōu)化，可穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。從血壓檢測、血糖監(jiān)測到壓力評估和睡眠質(zhì)量分析，可穿戴設(shè)備為我們提供了一個全方位、多角度的健康監(jiān)測解決方案。

可以看到，目前產(chǎn)品中所用到的技術(shù)還相對有限，收集的信號也相對單一，產(chǎn)品形態(tài)也還有很大改進(jìn)空間。從技術(shù)層面上說健康監(jiān)測設(shè)備涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)分析算法技術(shù)。

目前產(chǎn)品上所使用的傳感器技術(shù)主要是PPG傳感器等傳統(tǒng)光電技術(shù)，相信未來的可穿戴傳感器的發(fā)展趨勢是向著多信號、無創(chuàng)、低能耗、高精度、柔性可拉伸等方向發(fā)展。個人認(rèn)為健康監(jiān)測設(shè)備領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢主要是以下幾個方面：

可穿戴形態(tài)的多樣化

目前主要的可穿戴監(jiān)測設(shè)備主要還是手表居多，未來這一可穿戴設(shè)備的形態(tài)將向著更多檢測位置、更多結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)展，比如以戒指，貼片、耳機(jī)等形態(tài)發(fā)展，乃至和部分飾品進(jìn)行集成，比如集成于眼鏡的和耳朵接觸的框架處、女性的發(fā)夾上、紋身貼片、隱形眼鏡上等。

柔性可穿戴

下一代可穿戴式 PPG 系統(tǒng)，迫切需要實(shí)現(xiàn)高探測率、快速響應(yīng)時間和超薄、柔性，可拉伸的?器件模組設(shè)計，免去笨重電源裝置的自供電操作也利于即時檢測應(yīng)用。

柔性可拉伸PPG傳感器是一種新型的光電傳感器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

佩戴舒適度高: 柔性材料使其能夠貼合皮膚，佩戴舒適，不易引起皮膚不適。

可拉伸性好: 可適應(yīng)人體皮膚的運(yùn)動和變形，即使在運(yùn)動或其他身體活動時也能保持良好的測量精度。

測量精度高: 更好的和皮膚、組織貼合，能夠準(zhǔn)確測量心率、血氧飽和度等生理參數(shù)。

高集成度: 可直接集成到各種可穿戴設(shè)備中，例如智能貼片、耳機(jī)、指環(huán)等，方便用戶隨時隨地進(jìn)行健康監(jiān)測。

潛在應(yīng)用廣泛: 除了可穿戴設(shè)備之外，還可用于集成到手術(shù)器械中進(jìn)行輔助監(jiān)測。

3.體液傳感器

可穿戴體液檢測器是一種新興的醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備，它能夠通過分析體液（如汗液、唾液、淚液等）來監(jiān)測和評估個體的健康狀況。這些設(shè)備通常集成在可穿戴設(shè)備中，如智能手表、健康追蹤器、智能服裝等，為用戶提供實(shí)時的健康。常見的體液包括汗液、人體組織液（ISF）、唾液等。這一技術(shù)還可以結(jié)合POCT等發(fā)展，實(shí)現(xiàn)把穿戴設(shè)備往病理診斷等醫(yī)療意義的方面更進(jìn)一步。

常見的體液傳感器是汗液傳感器?？纱┐骱挂荷飩鞲衅髂軌?qū)崟r分析汗液成分，通過汗液中的生物標(biāo)志物的分析提供有關(guān)健康狀況的有洞察力的信息。

4. 新型傳感器技術(shù)

目前可穿戴傳感器正向著多樣化方向發(fā)展，當(dāng)我們將電化學(xué)傳感器、力傳感器、體液傳感器、光電傳感器等組合應(yīng)用后，將會得到更多信息。

圖片來源：Sensors 2023, 23, 2991

5. 可攝入生物傳感器

從臨床意義上說，可穿戴的健康監(jiān)測設(shè)備僅能提供參考信息，不能用于診斷和醫(yī)療目的，這是由于可穿戴傳感器無法到達(dá)體內(nèi)的一些病變點(diǎn)，不能直接獲取疾病關(guān)聯(lián)的直接信息，并且體表可檢測的健康指標(biāo)容易受到干擾。因此可攝入的生物傳感器，比圖所示的生物傳感膠囊（IBC），可以通過胃腸道（GI）接近主要器官，監(jiān)測廣泛的生物標(biāo)志物，作為有效的臨床診斷工具，甚至提供針對性的外科和藥物治療。

（這一個話題涉及到的技術(shù)比較多，這次先總結(jié)到這里，下次接著總結(jié)）

參考資料：

https://support.coros.com/hc/en-us/articles/4406604073108-How-do-COROS-watches-measure-heart-rate

https://doi.org/10.1002/aelm.202300765

規(guī)范智能可穿戴設(shè)備對血壓的測量，10.16439/j.issn.1673-7245.2023.05.001

智能可穿戴設(shè)備在中青年血壓管理中應(yīng)用中國專家共識

https://www.huxiu.com/article/805112.html

《光學(xué)無創(chuàng)測量血糖新技術(shù)》

https://appleinsider.com/articles/18/08/23/apple-patent-suggests-work-on-non-invasive-glucose-monitoring-tech

基于人體生理信號的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)研究_薛美靜

https://www.unityhealthnetwork.org/news/ultimate-sleep-tracker-guide-navigating-sleep-health-best-tools

https://newsroom.ucla.edu/releases/cortisol-sensing-smartwatch

Overview of a Sleep Monitoring Protocol for a Large Natural
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基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式心率、血氧監(jiān)測系統(tǒng)

基于PPG的高準(zhǔn)確率低功耗心率監(jiān)測模塊設(shè)計_邱慧

Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors

https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ppg-biosensors-market

MW-PPG Sensor: An on-Chip Spectrometer Approach

ACS Nano 2023, 17, 20013-20023。Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu-In-Se Quantum Dot Photodetectors for
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Wearable Sweat Biosensors，2016，IEDM

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Sensors 2023, 23, 2991

Biocompatible and Long-Term Monitoring Strategies of Wearable, Ingestible and Implantable Biosensors: Reform the Next Generation Healthcare

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Stress-Lysis: A DNN-Integrated Edge Device for Stress Level Detection in the IoMT

https://www.tno.nl/en/newsroom/insights/2023/01/monitoring-your-health-using-light-tno/

Sensors2023,?23, 2991. https://doi.org/10.3390/s23062991

（說明1：由于涉及的參考文獻(xiàn)和圖片比較多，如有遺漏還請諒解）