可穿戴设备在心血管疾病监测中的应用

周新圆

0 引言

近年来，HUAWEI Watch、Xiaomi Watch和Apple Watch等智能可穿戴设备更新发展迅速，并受到市场的极大关注[1-2]，与此同时，无线信息传送技术、半导体、高分子材料等新兴技术领域的发展也为次时代感应设备的可穿戴应用提供了足够的技术支持[3-4]。而可穿戴设备与生命健康领域的天然重叠，使得生命体征和运动健康状况体外检测的广度和深度得到前所未有的拓展，不论是内环境相关指标如间质液糖浓度[5]、间质液pH值[6]，还是生命体征相关指标如脉搏、心率甚至血压[7-9]等都可以实时测定、实时传输。

早期的可穿戴设备受限于基础物理、电子科技的发展，只能测定体温、脉搏等基本数据，而随着智能传感技术的开发，对于汗液和皮肤表面多种物理指标的实时检测分析变成现实，依靠新阶段的传感技术和电子集成科技的发展，科技从业者对次时代智能可穿戴设备理解愈发深入，新一代智能可穿戴设备的应用场景展开已势在必行[10]。

可穿戴设备常见的穿戴方式有接触型[11]、植入型[12,13]和外接型[14-15]。接触型指传感器与皮肤表面的直接接触，植入型穿戴则是通过微创将设备植入体内，再利用多种物理、化学或生物信号传感器通过皮肤获取信息，而外接型设备则是通过将能够获取必要信息的传感器与外置分析装置连接，从而实现其穿戴-分析一体化[16-17]。

1 接触型可穿戴设备

轻松、便捷、灵活等特点是能够从皮肤获取重要信息的接触型可穿戴设备的优势，但快速获取信息、实时分析导出的优势是建立在现代工业设计发展的基础上，常用的接触方式有物理固定和化学固定两种，前者是通过物理方式增加设备吸附力，而后者是利用具有生物安全性的化学黏合剂粘贴设备，将设备完全固定到皮肤表面[18-19]。皮肤表面能够产生大量的汗液，对汗液成分进行定量检测，可提供大量与人体生理状态相关的信息。针对这些生理信息开发对应的传感器、传感芯片可实现对这些指标的实时监测、生理评估，如能够满足糖尿病患者实时葡萄糖浓度监测需求的微流控芯片[20]，基于柔性材料的表皮pH值检测贴纸[21]，在设备便携性、实时性方面得到了很大改善。除此以外，柔性可贴附材料还提供了皮肤表面压力、温度检测的可能性，而针对手臂表面人体工学结构基础的纸基应变传感器能够满足手臂皮肤大角度变化的连续检测[22]。

对于心血管相关疾病，如急性心衰、急性心梗等，接触型可穿戴设备具有随身携带、快速监测的优势，尤其是面对心血管急症患者发病时的及时检测。

2 植入型可穿戴设备

植入型的可穿戴设备主要通过微型针的形式进行皮下检测，相比其他可穿戴设备选择微创作为监测途径，在放弃了无创可穿戴设备无创监测的优势后极大提升了监测指标的准确性。由于传统的血液或其他体液检测无法完全通过自主快捷的方式完成，因此一种新兴的生物标志物——间质液进入了相关从业者的目光，与血液具有相近的组成特点让间质液在疾病诊断领域同样能够发挥重要作用，而新型高分子生物微探针则为从间质液中提取相关分子提供了可能性[23]。 近年，通过间质液检测机体常见代谢物水平在技术层面已可实现，糖含量、离子浓度、脂类代谢物等都可通过微针检测完成，且与实时血清检测中的结果无明显差异。相较于传统采血分析的耗时耗力，微针分析快捷方便，既不会造成患者生理上的不适和疼痛，也能够节省采样时间，对于需要每天进行检测的患者，这些因素的优化体验会将间质液监测的优势进一步显现。微针是微型工业化的注射针，长度约100μm，可避免对真皮层的直接伤害。有学者[24]研制了一种基于微针的生物-化学传感器用于连续的间质液糖浓度监测。Nightingale等[25]制备了一种利用微透析探针快速监测常见生化指标的可穿戴微流控传感器，在准确和实时监测的同时，极大地减少了采样、分析时间,让其在和传统临床抽血化验相比时更具优势。

对于心衰、心功能不全等需要依赖多项化验指标综合评估病情的心血管疾病患者，植入型可穿戴设备大大缩短了传统抽血化验等待的时间，也可作为可穿戴设备进阶检查的选择。

3 外接型可穿戴设备

外接型可穿戴设备是指传感器本身无法直接应用于场景，需要将其与传统的随身穿戴物品连接从而实现理论上的穿戴。谷歌、微软公司开发的VR眼镜就是一种典型的外接型的智能穿戴设备，它通过集成信息感受器、数据采集软件、图形音频分析软件和无线连接器，实现现实场景中用户直接接受分析完成并可视化的多种来源信息[26]。与植入型和接触型可穿戴设备相比，外接型的穿戴设备在用户体验上更为舒适，有学者[14]通过在口罩中将呼吸传感器固定，将呼吸数据传送到连接的智能手机或平板电脑进行实时处理，实现对呼吸相关指标的连续监测。而通过改良电池与传感器分布，可用于长期连续监测呼吸状况的可穿戴口罩也已经有学者在实验室完成[27]。这些可收集实时呼吸数据的智能穿戴型口罩在目前新冠大流行的背景下发挥了很大作用。除此以外，一种基于呼吸动作产生生物电效应的可穿戴智能腰带也为研究者提供了全新的思路[28]。 而Wang 等[15]开发的可穿戴的汗液传感器，实现了对运动时汗液中离子浓度的有效收集和实时分析，制备的汗液传感器对 Na+具有良好的检测效果，且多次测定稳定性良好。根据心功能不全的类型，很多心血管疾病患者需要同时监测呼吸和心脏功能，而能够非常有效地呈现出体内血容量的变化情况。体液内离子浓度的改变可以在一定程度上反映患者心功能的情况，因此呼吸传感器、汗液传感器以及压力感受器集成后的智能口罩、智能手表对于心衰患者病情改变的监测具有得天独厚的优势，应用场景的重合使得这些外接型可穿戴设备对于患者心功能的实时监测变得更为方便、快捷。

此外，体液中Na+和K+浓度变化直接反映了人体电解质的变化情况,电解质紊乱可能会导致全身多种脏器的损伤。而汗液中Na+和K+的浓度是能够通过体外获取的与体内真实信息最为接近的电解质浓度，因此汗液传感器的开发也是传感器领域学者研究的重点之一，如通过毛细作用将收集到的少量汗液输送到芯片上分析Na+和K+浓度的可穿戴贴片[29]。与之类似的有汗液检测绷带[30]，其可通过柔性材料集成传感器实现皮肤直接接触。除此以外，有研究者对基于电场和热图进行离子浓度分析的汗液提取可穿戴设备做了尝试[31-32]。这些开发都结合了临床实践或基础研究中涉及的汗液信息提取方式，是由临床需求出发、从基础研究实现产品转化的重要范本。

心率和血氧是反映心血管疾病患者病情变化的重要指标，由于脉搏可以大致反映心率,所以多种穿戴设备以脉搏检测反映心率的变化，有研究者[7]制备了一种可穿戴压力传感器检测脉搏，而集成于柔性材料的高敏压力传感器则直接促成了桡动脉连续脉搏监测带的开发[33]。此外，血液流动产生的微电容改变也被研究者应用在了传感器开发中，通过将原始电容数据由光电二极管转化为光信号，实现了同时测量心率和血氧并将原始信号可视化处理的大跨越[34]。而血液流动形成的脉冲信号也为Haahr等[35]和Chacon等[36]研制用于测定血氧、脉搏脉冲信号的可穿戴设备奠定了基础。利用无线传输和信号处理技术将测量信号发送到移动设备上进行实时信号处理，与有创检测的金标准相比，其血氧测量的准确度≥98% ,心率准确率≥97%，完全可替代有创检测，具有广阔的市场前景。

HUAWEI Watch由于具有血压测量、心电采集、血氧监测、体温测定等多项针对心血管疾病重要生理指标的实时监测功能，从而使其在心血管患者家中进行病情观察、指标测量等发挥重要作用。另外，结合汗液监测贴片，使心功能不全患者的居家保守治疗在一定程度上成为了可能。

4 小结

伴随着高分子材料、生物、物理、化学和半导体等学科技术的飞速进展，可穿戴设备的类型以及功能都得到了极大的开发，并且由于智能穿戴实时监测的功能能够有效弥补医疗服务领域尤其是护理方面人员不足的问题，其应用场景与护理或者患者自我管理场景具有天然的重叠。在次时代智能穿戴设备即将全面到来的今天，医疗护理工作者应该更加关注该领域的发展，以期在未来全新的依托于智能设备的“护理+患者自我管理”模式中为患者提供更优质、更全面的护理服务。

此外，随着纳米科技、5G无线通信和人体类器官等次时代科学技术的发展，可穿戴设备的核心组件——传感元件向更深、更广阔的领域拓展，从而使次时代智能可穿戴设备更广泛地应用于心血管疾病医疗服务中。