可穿戴健康監(jiān)測產品及其傳感器（一）

前言

隨著科技的飛速發(fā)展，可穿戴設備已成為人們日常生活中不可或缺的一部分。這些小巧輕便的設備不僅能夠提供便捷的信息獲取方式，更在健康監(jiān)測領域展現(xiàn)出了巨大的潛力。本文主要探討可穿戴設備在血壓檢測、血糖檢測、壓力檢測以及睡眠質量檢測等方面的監(jiān)測原理，以及相關的傳感器技術。

01 健康監(jiān)測設備里的主要監(jiān)測信號/

目前常見的健康監(jiān)測設備常見的形態(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、睡眠質量、壓力水平等生理參數(shù)。這些數(shù)據(jù)對于預防疾病、管理慢性疾病、伴隨治療以及提升生活質量都具有重要意義。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。因為血液對特定波長的光有吸收作用，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：因為每次心跳都會引起身體的震動，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 (PPG) 傳感器，基于第二原理可以得到更高精度心率信息，對應心電圖（ECG）傳感器。PPG這是一種在可穿戴設備行業(yè)測量心率的常用傳感器技術。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)隨后由專為算法進行解讀，并在此過程中轉化為準確的心率估計值。這需要去除任何會影響數(shù)據(jù)從而無法提供準確測量結果的 “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)測的實現(xiàn)同樣可以通過PPG傳感器得以實現(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)這一類小型消費級可穿戴式血壓測量設備在技術實現(xiàn)上是有一定難度的，與傳統(tǒng)的袖帶式血壓測量設備相比，測量信號的準確性是一大性能挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的袖帶式血壓測量設備的測量原理均為“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系找到對應壓力信號,對應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，但是由于其產品形態(tài)本身的限制，測量準確性較傳統(tǒng)臂式測量設備較低。

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

還有一類可穿戴的血壓測量設備是無袖帶血壓測量的移動設備，其主要通過光電容積、心電圖估算血壓值和手指紅外感應、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備的原理較多，其中一個實現(xiàn)方案是結合心電圖和PPG傳感器的脈搏波傳導時間法，脈搏波從心臟傳導至PPG信號測試點的時間差,稱PTT的血壓測量模型,通常使用心電圖作為PTT的起點,指尖記錄的PPG信號作為PTT終點。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行校準,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)與血壓的關系推導出血壓特征參數(shù)方程實現(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

在智能穿戴領域，血糖監(jiān)測功能一直備受各大廠商關注。蘋果目前在無創(chuàng)血糖監(jiān)測技術取得突破性進展，將在Apple Watch上搭載該功能。據(jù)了解，這個項目被稱為E5，研究的主要目標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吸收光譜，來確定體內的葡萄糖濃度。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行測量，光學葡萄糖傳感器使用一種凝血素物質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，病人的用戶體驗感差，因此后來微創(chuàng)測量技術逐漸興起。

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構，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現(xiàn)上實質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關系致使檢測結果有時不能準確體現(xiàn)病理變化，因此真正有病理意義的還是直接測量。在《光學無創(chuàng)測量血糖新技術》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.?睡眠質量檢測

睡眠質量檢測是一個多傳感+算法融合的過程。可穿戴設備通過內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量。不同探測器分別對采集的心電信號和體動信號進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?？纱┐髟O備通常采用心率變異性（HRV）和壓力傳感器來實現(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，結合這兩種傳感器技術的可穿戴設備在壓力檢測方面具有較高的準確性和靈敏度。包括壓力監(jiān)測在內的心理狀態(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行全面的監(jiān)測、分類和判斷的，因此對應的傳感器類型也有很多。雖然現(xiàn)有產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。

加州大學洛杉磯分校（UCLA）的一個研究團隊開發(fā)了一種智能手表，能夠準確、無創(chuàng)、實時地評估汗液中的皮質醇水平。皮質醇是一種類固醇激素，通常被稱為“壓力激素”，因為它在身體對壓力的響應中發(fā)揮著關鍵作用。當身體或心理受到壓力時，無論是急性的還是慢性的，腎上腺會釋放皮質醇來幫助身體應對壓力。皮質醇水平可以為佩戴者提供壓力等生化指標的信息。皮質醇非常適合通過汗液進行測量，通過追蹤汗液中的皮質醇，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)測產品的產品形態(tài)比較多（手環(huán)、手表、指環(huán)、耳機等），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鍵傳感器數(shù)目和種類相對比較局限，因此探測信號的準確度和可信度明顯低于專業(yè)醫(yī)療設備，因此其提供信息只能用于日常健康監(jiān)測而不可用于強醫(yī)療目的的場景。

目前產品里的心率監(jiān)測、血氧檢測、血壓檢測都借助PPG傳感器、ECG傳感器得以實現(xiàn)。皮膚溫度等可借助溫度傳感器實現(xiàn)，體動和運動監(jiān)測可通過加速度傳感器實現(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生的血容量改變有關的交流成分。探測光照強度與時間關系曲線圖稱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主要應用于以下信號檢測：

心率監(jiān)測: PPG傳感器可以實時監(jiān)測心率，對于運動訓練、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，配合體動檢測結果，可以評估睡眠質量和睡眠階段。

比較有意思的是結合多光譜技術還可以設計多光譜PPG。多波長光電容積脈搏圖（MW-PPG）傳感技術被認為是優(yōu)于單波長光電容積脈搏圖（SW-PPG）傳感技術的。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技術應用于日常生活。國立臺北科技大學的團隊開發(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，目標是面向可穿戴應用。結合信號處理方法，該設備可用于穩(wěn)定地提取PPG信號，信噪比（S/N）提高了高達50%，可實現(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)硅基工藝得以實現(xiàn)，因此具有低成本、多設計自由度等優(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，并預計從2023年到2030年將以11.6%的復合年增長率增長。

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胞的電生理特性。心臟的每一次搏動都是由心肌細胞的電活動引起的。當心肌細胞去極化和復極化時，會產生微小的電信號。ECG傳感器通過監(jiān)測電極檢測到由心臟電活動產生的電位差并將信號濾波、放大后結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)測設備的未來發(fā)展趨勢/

隨著傳感器技術的不斷進步和算法的持續(xù)優(yōu)化，可穿戴設備在健康監(jiān)測領域的應用將越來越廣泛。從血壓檢測、血糖監(jiān)測到壓力評估和睡眠質量分析，可穿戴設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，目前產品中所用到的技術還相對有限，收集的信號也相對單一，產品形態(tài)也還有很大改進空間。從技術層面上說健康監(jiān)測設備涉及到的關鍵技術包括：傳感器技術、無線通信技術、數(shù)據(jù)分析算法技術。

目前產品上所使用的傳感器技術主要是PPG傳感器等傳統(tǒng)光電技術，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。個人認為健康監(jiān)測設備領域的未來發(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)測設備主要還是手表居多，未來這一可穿戴設備的形態(tài)將向著更多檢測位置、更多結構形態(tài)發(fā)展，比如以戒指，貼片、耳機等形態(tài)發(fā)展，乃至和部分飾品進行集成，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)，迫切需要實現(xiàn)高探測率、快速響應時間和超薄、柔性，可拉伸的?器件模組設計，免去笨重電源裝置的自供電操作也利于即時檢測應用。

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：

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: 可適應人體皮膚的運動和變形，即使在運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備中，例如智能貼片、耳機、指環(huán)等，方便用戶隨時隨地進行健康監(jiān)測。

潛在應用廣泛: 除了可穿戴設備之外，還可用于集成到手術器械中進行輔助監(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。這些設備通常集成在可穿戴設備中，如智能手表、健康追蹤器、智能服裝等，為用戶提供實時的健康。常見的體液包括汗液、人體組織液（ISF）、唾液等。這一技術還可以結合POCT等發(fā)展，實現(xiàn)把穿戴設備往病理診斷等醫(yī)療意義的方面更進一步。

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

4. 新型傳感器技術

目前可穿戴傳感器正向著多樣化方向發(fā)展，當我們將電化學傳感器、力傳感器、體液傳感器、光電傳感器等組合應用后，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體內的一些病變點，不能直接獲取疾病關聯(lián)的直接信息，并且體表可檢測的健康指標容易受到干擾。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比較多，這次先總結到這里，下次接著總結）

參考資料：

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

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

智能可穿戴設備在中青年血壓管理中應用中國專家共識

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

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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

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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的高準確率低功耗心率監(jiān)測模塊設計_邱慧

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

MW-PPG Sensor: An on-Chip Spectrometer Approach

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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和圖片比較多，如有遺漏還請諒解）