便携式医疗仪器的研究综述

关于便携式健康监护仪研究的综述摘要：随着人们生活质量的提高，对身体健康的要求越来越高，传统的健康监护仪已经不能够满足人们的需求，为了得到生理参数的实时性检测，实时了解身体的状况，对便携式、微型化的健康监护仪进行大力的研究与开发。

本文简述了传统的监护仪的特性与其研究发展状况，并着重分析了多参数健康监护仪的研究与发展，并强调了基于容积脉搏波的人体体征信号的研究，最后提出了对未来便携式健康监护仪、微型化监护仪的看法，得出便携式健康监护仪将有很好的发展前景的结论。

关键字：便携式生理参数容积脉搏波集成传感1 引言目前全球人口面临老龄化问题、人们的生活水平得到了提高，偏远地区对医疗服务需求也在增加，对病人的生理参数的实时性监控，这些有形无形的因素正促使传统医疗方式的变革，促使移动性和便携性的医疗电子器械不断发展。

中国报告网发布的《2011-2015年中国便携式医疗器械行业市场调研与投资方向研究报告》[1]采用国家统计数据，海关总署，问卷调查数据，商务部分采集数据等数据库。

介绍了世界便携式医疗器械行业整体运营状况、中国便携式医疗器械行业市场发展环境等，分析了中国便携式医疗器械行业市场运行的现状以及介绍了中国便携式医疗器械市场竞争格局，报告对中国便携式医疗器械做了重点企业经营状况分析，该报告还分析了中国便携式医疗器械行业发展趋势与投资战略。

国内外对便携式医疗仪器的研究都有一定的进步，在不同的医疗领域，针对不同医疗健康监护，不同的医疗救治相关的医疗仪器，都有逐步走向便携式，简单化，多功能，准确性高的趋势。

特别是在医疗健康监护方面，人们更希望对人体的各种生理参数进行同时的、实时的监测，这样更有利于人们及时了解自身的身体缺陷以及病变，以便于进行及时的治疗，特别是针对老年群体的身体的实时监护尤为重要。

对于便携式健康监护仪的发展，需在实时监护、多参数同时监护的前提下保证监护仪的便携以及信息的准确性。

国内外的学者在便携式医疗仪器的研究方面还需做出更大的努力。

2 常用人体生理参数监测仪的研究状况2.1 心电监测仪的研究1960年，心电监护仪首次应用于病人，当时只能监测心电信号，称作单参数监护仪，随着大规模集成集成电路和微处理器技术的出现，以及新监护技术的不断发明和网络技术的发展，可以将众多心电监护仪通过无线或有线网络组成中央监护系统[2]。

使用心电监护仪实时监控病人病情，提高治疗和护理质量，降低了危重病人的死亡率，提高了护理工作效率。

1957年美国物理学家NormanJ．Holter发明了动态心电图机[3]，随着电子技术、医学工程学和心电图诊断技术的飞速发展，按照心电图的记录方式，可以将心电监护系统的历经分为两个阶段，第一阶段为盒式磁带记录系统，第二阶段为固态记录系统。

目前，国内外研究的心电监护系统主要是固态记录系统，产品种类可分为3种[4-6]：第一种为Holter，Holter系统由存储记录器和回放仪两部分组成，利用存储记录器将心电数据记录在存储介质中，将记录器设置好并佩带在患者身上后，可以记录下佩戴者24小时的心电图，然后再送回医院。

第二种为TTM(电话传输心电图监测系统)。

第三种为心电实时监护系统，心电实时监护系统是针对Holter和TTM缺乏实时监测功能而研究的一种心电监护系统。

对于常规住院病人，心电实时监护操作起来比较方便，而对于不需住院的患者，要实现实时的动态监护，到目前为止基本还不能实现，要到到对于移动人体的实施监护，就必须有便携的心电监护仪。

魏珑在《便携式心电监护仪采集系统设计》一文中提到了便携式心电监护仪[7]的理念，基于这一前提，程楠在研究生项目设计中采用了Samsung公司的ARM9系列S3C2440A处理器，利用ARM9设计实现了便携式的动态心电监护仪的实验，并且对系统实现的低功耗的处理。

张凌志在基于MSP430单片机的便携式动态心电监护仪研制中初步实现了便携式心电监护的雏形。

在便携式医疗仪器中很重要的一点是低功耗，目前研究的常用的低功耗处理方法有[8-10]，第一，采用低功耗器件；第二，采用门控时钟方法；第三，降低时钟频率，这三种方法各有自己的优缺点。

目前常用的心电信号的检测仍然是采用了传统的3导联或12导联模式，基于目前的心电监护，人们已经设计出了穿戴式的便携式心电监护仪[11] ，郭劲松研究了一种可用于移动条件下对重要生命信号心电、呼吸等无损检测的可穿戴式传感器及其测量和传输系统的监护背心[12]，其可以通过蓝牙实现短距离的数据传输，使得其应用范围受到限制。

现行研制的便携式心电监护的仪器中，都没有涉及到远程的传输，没有解决心电导联线带来的不便等一些基于“便携”的问题。

未来的心电监护仪将向着精准、舒适、智能化、网络化的方向发展。

2.2 血压监测仪的研究动脉血压的测量已经形成了一套完整的测量技术体系，可以分为直接法和间接法两种。

直接法测量血压结果准确，能进行连续、实时测量，但必须经皮肤将导管插入血管内，是一种创伤性的方法。

间接法是从体表测出相应的压力值，不需要剖切的外科手术，测量简便，在临床上得到广泛的应用，其缺点是测量精度低，难以准确测定心脏、静脉系统的压力。

危小军在《24h动态血压监测与高血压病左室肥厚的相关性及临床意义的研究》一文中讲到通过动态血压的检测，分析动态血压监测结果可以发现心脏的夜间收缩压、舒张压、平均动脉压水平与左室肥厚关系密切，非杓型高血压、较杓型高血压易发生左室肥厚[13]，这一研究说明动态血压的检测对于某些方面的疾病有很好的诊断作。

传统的血压仪到目前为止通用的还是绷带式的血压仪，而，目前最先进的是动态血压监测仪，是一种用来监测动态、连续血压的医疗设备，应用于医院是比较方便的，但是体积还是相对较大，不便于携带，且仍然是在绷带式的前提下，通过振荡示波的原理，充放气迅速，噪音极低，方法实现的，但没有找到实现便携式的监测方法。

因此，许多国内外学者致力于血压测量的研究，希望在原理上作进一步改进，在仪器上进一步提高测量精度和抗干扰能力，在运用上摆脱充气袖带传统模式，发展实时、动态血压测量。

2.3 血糖检测仪的研究钱莺《血糖监测方法的研究进展》中提到传统检测血糖的方法有[14]：第一，静脉血浆葡萄糖测定，用从体内抽取静脉血液通过生化监测进行分析；第二，毛细血管全血糖测定，目前大多采用针刺采血检验仪即通常所说的便携式血糖仪，取毛细血管全血行血糖测定；第三，无创血糖监测，是在不损伤人体皮肤的条件下测量出血糖浓度，主要是电化学法和光学法；第四，微创血糖监测，有激光法、近红外光谱法等；第五，连续血糖监测，连续血糖监测仪系统核心是血糖探头和记录器，通常是在病人腹部皮下安放一传感器。

五种血糖检测的方法中针刺采血监测仪，无创血糖检测是一个很有前景的发展方向，便携式，不代表只是能方便移动，未来的趋势应该是“小”、“实时”，所以现在的便携式血糖仪还不能达到随身携带的目的。

美国已有多家公司致力于研发无创血糖测试仪，根据其工作原理，可分为下列四类[15]：第一，利用皮下间质液中的糖分子, 测试血糖值；第二，通过人体对近红外线、中红外线或远红外线的频谱分析，提取血糖值；第三，测试人体的射频阻抗，提取血糖值；第四，根据糖尿病人血液中糖化蛋白比例较高这一特征，通过对眼球测试，得到血糖值。

为了实现实时动态检测，光谱分析和眼球测试是值得考虑的方向。

目前仅Cygnus 公司的Gluco Watch Biographer，利用反向离子电泳技术，通过对渗出体液的分析, 读出血糖值，此仪器可每10min读出一个数据, 并可连续记录13h，即78个血糖值。

FDA已批准可处方对成人及儿童销售, 欧洲已批准进入市场。

当然在其他无创血糖检测方面也有一定的研究，国内的邹向阳，刘戎利用电流型生物传感器一葡萄糖氧化酶电极和STC单片机STCl2CA410AD的微功耗便携式快速血糖测试仪[16]。

2.4 心音检测仪的研究心音也是目前医疗诊断方面的一项重要指标，通过心音信号的分析可以诊断出人体的关于心脏的一些疾病。

对于心音检测仪的研究，也取得了一定的成绩，季安提出了心音信号遥测方法[17]，遥测系统由遥测发射机、遥测接收机、笔记本计算机三部分组成。

其中遥测发射机由大容量的锂电池供电，体积小巧，可以象移动电话一样随身携带。

通过胸部电极检测受试者的心电信号，通过无线设备将采取的数据发送给主机（笔记本计算机），主机通过运行心音遥测系统的数据检测程序，可以长时间地测量和存储受试者的心音数据，并显示出遥测到的实时心音图、心力变化曲线、心率变化曲线，这样就可以根据遥测效果随时控制心音信号的检测过程。

3 多功能健康监护仪的研究状况80年代末期随着传感器和电子技术的飞速发展，监护参数不断增多，由过去的单一参数功能发展为多参数监护[18]。

应多参数生理参数的检测的需求，国内外都做了大量的研究，Unity网络监护仪就是其中的一种，通过Unity网络监护仪可以随时显示别处监护或遥测心电发来的波形、数据和报警，通过Unity网络平台可实时显示所有病人的监护信息及相关报警事件[19]，通过Unity网络临床医生可以在任何时间、任何一台监护仪上调用信息或者被任何一台监护仪所调用，从而实现了病床与病床之问的信息交流。

与此同时，多参数监护仪正向微型化或大型化多功能两个方向发展，如惠普M3、马奎特的Eagle3000、带有触摸屏功能的太空M90369监护以及佩戴式24小时血压、心电监护仪反映了仪器微型化倾向，而心电遥测系统、中央监护仪、远程监护系统正在向多功能化、计算、存储大容量的方向发展。

为了实现便携式民用化，微型化方向是一个非常重要的发展方向，刘海涛通过采用国内外先进的硬件测量模块，以系统集成方式开发应用系统[20]，不仅可以提高系统的可靠性、稳定性，同时也可以大大节省系统的开发时间，并可以满足用户不同的需求。

当然，这是一种集多模块的集成开发，这样虽然可以满足现行的多参数的、便携的监护，但是还不能够达到高集成的程度，每一个模块需要自己配套的传感器，信号采集模块，这样并没有完全实现统一化。

未来多生理参数检测技术发展的趋势可能为[21]，生理信号参数的多样化、信号模块的配置灵活性、遥测和无线数据传输、OLEH系统麻醉在线电子专家系统、病人信息的整合，到最后实现一个信号多种数据的理念。

4 基于容积脉搏波的便携式健康监护仪的构想光电容积脉搏波描记法简称PPG，是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法，当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中，由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用检测器检测到的光强度将减弱，其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得容积脉搏血流的变化。