互联式可穿戴医疗设备的主流趋势与设计

作者：莫仕战略医疗营销经理ANTHONY KALAIJAKIS

我们生活在一个以数字方式整合在一起的互联世界上。从我们使用的智能手机、智能手表及其他智能设备看来，这一趋势的发展永不会止步。这个道理也同样适用于众多的行业与应用，但在医疗设备领域尤为明显——预计该市场到2025年将达到4326亿美元的规模。1

随着互联健康这一概念的兴起，传感器以越来越快速的步伐来使能各种可穿戴设备之类的医疗设备，这在很大程度上是由新冠病毒病引起的全球性危机以及医疗服务提供商在远程监护方面不断加大投入所促成的。2不仅可穿戴医疗技术的采用量出现了上升，经过了微型化、人工智能优化并且整合了3D打印的设备的使用量也有所增长。

医疗设备制造商面临着显着缩小设备尺寸并减轻设备重量的挑战，与此同时仍然需要为其提供最大的功率，并将延迟降到最低程度。在诊断、治疗及患者监护的技术形态方面，他们必须分外的认真考虑下一代医疗设备中日益缩小的空间，与此同时还要将患者的舒适度、便利性及易用性作为优先考虑。

互联设备形态上新兴的技术进步

诊断、治疗和医疗监护的形态为互联式可穿戴医疗设备的发展搭建起了舞台。我们来分别了解一下这三个主要的互联设备形态中新兴的技术进步，然后探索设备制造商们需要加以整合、从而不断向前发展的主要设计考虑。

诊断——连续并主动

患者的医疗之旅始自准确的诊断，因为这会为后续的医疗决策提供相关的信息。常见的诊断形态包括血管造影术、超声波检查法、常规放射线摄影术、计算机断层扫描(CT)、骨骼扫描，以及核磁共振成像(MRI)。这些诊断模式都需要规模庞大、无比复杂而且价格高昂的系统，往往需要几天的时间才能获得结果，因此要求患者进入到医疗设施当中，而且，与病人通常居住的地方相比，医院环境下的出错率也要高得多。2

医疗诊断技术正在演变，从反应式治疗转向疾病与障碍的预防和主动诊断。由于医疗系统正从按服务收费的模式转向受管理提供商的模式，目前的关注点愈发从数量转移到了质量上去。此外，患者本身也希望在自己的健康管理方面获得更多的掌控与洞见。对于这些转型来说，下一代的医疗诊断是一个关键的使能因素。然而，为了使诊断在医疗过程中发挥更重要的作用，那就必须首先做到更加连续的诊断。促成了智能手机和可穿戴设备的各式创新成果，同样使这种走向“连续诊断”的趋势成为了可能。从可以取代听诊器或者监控帕金森病患者步态的应用，到连续监测血糖水平(CGM)的附加设备，技术在实现医疗诊断革命的过程中已经被证明具有不可或缺的作用。

除了采用可生物降解材料制成的植入式传感器以外，制造工艺上的突破现在还可以实现价格低廉、甚至是一次性使用的传感器。这类传感器的厚度可以达到近乎一张贴纸的程度，附着到患者的皮肤上，通过脑电图(EEG)、心电图(ECG)、脉搏血氧饱和度监测法和皮肤电反应来连续监测生物信号。这些传感器产生的数据可通过近场通信(NFC)之类功率极低的技术传输到连接在患者衣服上或者作为智能手表而佩戴的接收器上，藉此把数据传送到医师的数据门户，或者利用蓝牙或WiFi之类功率更大的无线技术直接上传到云。

诊断设备与新型的柔性传感器、能量采集硬件和人工智能结合到一起后，可以凝聚成坚实的基础，使连续的医疗诊断成为现实。这一趋势很快就会使患者能够全天候的监测自身的健康状况，可实现之前只有昂贵的医院级设备才能达到的精度与细节水平。

治疗——按需治疗

人们对于家用医疗监护技术的接受，正在促使着这类设备不断拓展，同时提供医疗救助的功能，使疗法从医院临床环境逐步转移到患者一方的生态体系中去。

图1：诊断、治疗和医疗监护的形态为互联式可穿戴医疗设备的发展搭建了舞台。

正是由于智能手机、价格低廉而又对消费者友好的硬件以及下一代软件算法上的进步，现在可实现自动提供的治疗方法，而无需医疗专业人员在场。随着“互联健康”这一运动的到来，未来的患者将能够不论何时何地，在需要时即可立即获得医疗救助。治疗和监护形态的融合，使得患者重拾生活时光，以自己的方式好好地生活下去，而不再需要围绕着治疗而生存。

治疗学包含了一大组形形色色的技术与方法。值得注意的一些治疗形态包括了电刺激，例如经皮电神经刺激、干扰电以及深部脑刺激(DBS)，对于帕金森病患者、甚至是老年痴呆症患者的治疗来说，电刺激本质上就是一种“脑部起搏器”。多项顶尖的技术也在稳步发展之中。例如，温热疗法和冷冻疗法之类的热疗在治疗软组织和肌肉骨骼损伤方面会发挥一定的效果。药物释放系统预计会极大的扩展已有数十年历史的胰岛素泵和雾化器之类的技术。举例来说，对于深受睡眠呼吸暂停困扰的人群，CPAP（持续气道正压通气）设备一直以来都是医嘱的治疗方法。然而，由于技术微型化和材料科学上的进步，这类笨重的机器正在让路给可植入技术。这些技术进步同样会促成新的植入式治疗方法，适合下一代的起搏器和神经调节疗法使用。进入榜单的有基于超声、激光、甚至是机器人硬件的疗法，适合外科手术、物理治疗及家庭老人看护使用。

来自患者监测和治疗器械的遥测技术数据，将会通过智能手机或其他无线连接方式回传给它们的医疗提供商。然后医生会根据需要，通过远程方式调整每位患者的治疗方案。最后，有越来越多的疗法也都会成为非侵入的治疗方式。经皮注射（通过皮肤吸收来递送有效成分）、自然孔道输送和微创放射疗法都已准备就绪，将使这一理念成为现实。

医疗监护——一体机

患者得到准确的诊断、并且规定好了治疗处置方式后，医疗监护对于了解人体如何对各种疗法作出响应、保持依从性以及减轻疾病或其他身体不适产生的影响来说，都具有至关重要的作用。

图2：健康跟踪设备上的新式心电图功能允许佩戴者检测心房颤动情况。

从早期的机械式计步器到数字式的智能手表，当今的技术已经开始将越来越多的功能整合到一台设备当中，对于遭受着慢性疾病困扰的高风险患者群体来说，这类技术存在着特殊的价值。例如，可穿戴的心电图监测仪和血压监护仪现在还可以跟踪人体的生命体征，一次存储多达100个读数。更加灵敏的监测系统，比如说患者身上佩戴的贴片，可收集心率、体温等等广泛的生命体征。血糖监测技术现在使得糖尿病人能够随时随地监测自身的血糖水平。健康跟踪设备上的新式心电图功能允许佩戴者检测心房颤动情况，对于有心脏病史的人来说，这些设备生成的数据具有生死攸关的重要性。

生物传感器技术的进步可以实现以无线缆或者无线的方式进行连接，而且重量轻的令人难以置信，从而将患者从笨重的设备当中解放出来——同时保持较低的成本、简单易用，并且在使用后可丢弃。柔性电路、低功率传感器及印刷天线使得便利而又舒适的医疗监护硬件可固定到患者身上，甚至植入到患者体内。这种监测用硬件甚至可以利用智能手机或其他无线互联网接入设备作为网关来接入到基于云的服务，从而将患者健康监测设备的数据存储到云。

医疗设备3个最重要的设计考虑

在医疗设备技术方面，为诊断、治疗和医疗监护的形态提供支持的最新发展成果，明显即将为互联健康的生态体系带来翻天覆地的巨大变化。

医疗设备的制造商将会越发承担一个任务，那就是设计出小巧不起眼的设备，在保持灵活性、轻便性和舒适性的同时，还可在患者与医疗提供商之间实时的发送数据。为了克服可能妨碍到传输拯救生命的数据的种种障碍，在进一步对设备进行微型化的同时，设计人员还必须考虑优化各组件占用的空间。他们必须解决如何在印刷电路板容量有限的情况下为这类设备供电的问题，与此同时还要提升信号的完整性。这里有三个不容忽视的最重要设计考虑：

图3：透明电导传感器，例如莫仕的PEDOT，具有极高的灵活性并含有半透明的电路，可在曲面上实现键盘的背光功能，适合电容式的用户接口面板使用。

1.组件和空间优化。在医院以外的环境下监测患者数据时，与庞大而又笨重的医疗设备相比，患者身上的可穿戴设备应当更加的紧凑。由于这类可穿戴设备尺寸更小，因而需要更加小巧的组件才能保持功率输出，并且实现将传感器集成到设备当中之类的技术。由于要缩小体积，随着印刷电路板上的空间愈发的受到局限，设计人员必须考虑优化空间的问题。考虑到目前市场上存在的更新型的微型连接器以及其他可以定制的传感器，设计人员将能够良好解决这些空间限制上的问题。绕过空间限制这一模块化问题的另一条途径，就是采用柔性电路，通过微型化的组件来提高设备的功能性。

2.柔性电路集成。尽管设备的尺寸和体积在不断缩小，但其功能却日益的丰富多样。医疗设备发挥功能所需的复杂电子系统还需要容纳额外的组件，从而通过实时的数据连接，将对患者友好的接口与医疗提供商连通起来。这类技术包括连接到患者身体上的电路，从而更好的捕捉更加深入的监测结果。设计人员在设备方面可以考虑的一个选项，就是柔性印刷电路(FPC)以及相关的电缆和连接器。由于这些轻量级的设计非常灵活、尺寸也更小，符合可穿戴医疗设备的严格标准要求，这已经证明是一项巨大的优势。此外，天线还可以印刷到印刷电路的基板上，以非侵入、连续且成本低廉的方式，传送各种生命体征信号或生物统计学信息。

3.最大功率与高度的信号完整性。医疗设备的设计人员在设计医疗设备的供电时，应当考虑低外形的线对板和柔性对板的方案。由于设计医疗监测设备的目的是为了将患者数据快速的传送到医疗提供商那里，所以，对于确保无缝传输来说，供电和信号具有至关重要的作用。电源对板的解决方案可承载最高15安的电流，良好实现设备的供电功能。现在提供的电路板连接方式具有更高的电路数量，分别为60、80和100电路，由于数据在各个尺寸较小的连接点之间传输，因而这种设计越发的流行起来。高性能板对板连接器和FPC连接器具有多个接地点，有助于确保在连接器内部达到最高水平的信号可靠性，从而实现每分钟更新的信息传输和数据中继。

结论

在过去的十年间，医疗技术设备的尺寸逐步缩小，而互联技术的发展则刚刚起步。医疗服务的提供商一直都在寻求着在缩短停机时间并达到最大的舒适性的情况下，以非侵入的方式来为患者提供支持，医疗设备的制造商也在朝着同一个方向努力。他们设计出的新型设备不仅实现了轻量级和小尺寸，而且还做到了智能化、高度的安全可靠，从而正在使上述目标成为现实。在这一领域还有着更多的惊喜，我们也会继续推动设计上的考虑，实现持续的创新与改进。
编辑：hfy