確定我們的健康狀態(tài)始終都是要設法監(jiān)控及測量身體的大部分基本功能。 在監(jiān)測儀器問世之前，人們都通過可視化指標來了解基本健康信息，諸如我們身體的溫度應當是多少，健康的脈搏應是怎樣以及可接受的呼吸速率該為多少等。

現(xiàn)今，隨著人口老齡化日益嚴重，越來越多的人需要某種可便攜的健康監(jiān)控系統(tǒng)，其采取的設備形式可具有定時給藥、刺激心臟，或者測量血糖水平以及注射胰島素等功能。 本文探討醫(yī)療與健身傳感器技術，無論是接觸式和非接觸式，還是放置在皮膚上、皮下或者體內，目前或不久即可供設計工程師采用。 本文所述的所有零件、工具和數(shù)據(jù)均提供在 DigiKey 網(wǎng)站上。

簡易入門

最簡單的傳感器形式是變送器，兩種不同物質彼此接觸就可構成。 實際的傳感器元件可制成小型離散式引線型元件，或者作為探頭或者電極組件的一部分。 它們可細微到類似發(fā)絲的電線，并能真正地自身生電。 熱電偶是產生電壓傳感器的典型代表，通過異種金屬基于溫度產生電壓。 例如，Omron E52-CA15AYD32 4M 等非接地零件，使用帶有 3.2 mm 保護管的 K 型元件來測量溫度，該元件可安裝在皮膚上或者安裝在固定夾縫中。

當其受到沖擊或者振動時，可以充分利用壓電效應，從微小的可嵌入傳感器生成能量。 對于足球運動員而言，一個小型非侵入式的骨骼傳感器就可為其即時指示是否已累積了過多的物理創(chuàng)傷，從而防止創(chuàng)傷轉化為更嚴重的傷害。 壓電傳感器的小型化意味著，可以將它們編入紡織品、繃帶或者衣物中。 而 TE Connectivity 2-1004347-0 等片式傳感器具有柔性且可折疊，并可切割成非常具體的形狀（圖 1）。 例如鞋墊可確定在下臺階時是否產生了過大壓力，用以幫助診斷背部或者關節(jié)問題。

圖 1 類似于該片式壓電傳感器的柔性可成型傳感器，可應用在衣物或者鞋子的表面或內部，用以測量關節(jié)和脊椎的壓力。

變送器在收集真實狀況方面尤為有用，但需要校準、線性化以及對漂移和溫度影響進行補償。 因此變送器系統(tǒng)與小型、智能系統(tǒng)級電子器件整合后，能夠讓這些設備成為一體式監(jiān)控和報告系統(tǒng)。

可穿戴式設備顯示我們的身體狀況

研究人員和制造商們正在尋找適用于大眾的、可穿戴式醫(yī)療和健身設備。 正在從事此類項目研究的伊利諾伊大學，正在開發(fā)下一代能夠測量能量利用、心率和變異性、衰減、皮膚溫度和 EEG/EKG 信號等設備（圖 2）。 這類即剝即貼傳感器，類似一次性貼片，可以與集線器或者路由器無線通信，執(zhí)行必要的處理或者將數(shù)據(jù)傳遞到云端或醫(yī)療監(jiān)測服務系統(tǒng)。 也可與本地智能手機結合使用。

圖 2 黏貼式傳感器為一體式測量系統(tǒng)，專門為佩戴者和/或世界任意位置的遠程醫(yī)療監(jiān)控服務系統(tǒng)提供監(jiān)測和警示信息。

這里列舉的只是集成了系統(tǒng)電子元件的變送器如何以非侵入的形式構建成小巧緊湊型醫(yī)療器件的一個實例。 將傳感器織入紡織品，可以無需去診所或攜帶醫(yī)療箱就能夠監(jiān)測生理狀況。 此類技術的一種表現(xiàn)形式是智能襪，即在襪子中織入壓力傳感器以追蹤步數(shù)、速度、卡路里和距離。 但它們的功能不止于此。 這些襪子還可以檢測海拔高度，以便氧氣水平可根據(jù)可用的氧氣密度進行調整。

這類智能襪的另一優(yōu)勢是能夠監(jiān)控和測量腳著地力的大小。 我們行走和著地時的重量分布可通過骨骼、關節(jié)和脊椎傳輸力、沖擊和壓力。 一旦此技術達到能夠檢測并量化的程度，甚至在患者情況加重時能夠及時以智能手機給予警示，那么慢性背部問題就可以直接追蹤至人們行走的方式，并可以快速輕易地獲得治療。

圖 3 織入嵌入式傳感器的智能襪可以實時地向智能手機發(fā)送數(shù)據(jù)，幫助患者了解其慢性背部問題或者關節(jié)疼痛是否出現(xiàn)惡化情況，并改變其行走方式。

咬合產生數(shù)據(jù)信息

有項新設計已在人們心中構想了數(shù)十年之久，它就是齒內植入式電子元件。 最近，臺北大學的研究者們成功地研發(fā)出齒內智能傳感器，可監(jiān)測、記錄以及發(fā)送吸煙、飲酒、咳嗽、講話或者呼吸中止時的數(shù)據(jù)。 據(jù)說，這種牙齒植入元件的數(shù)據(jù)準確率高達 94%，而且它以藍牙進行通信，可植入補牙的內部（圖 4）。

圖 4 齒內傳感器可以檢測到化學以及物理活動，并且在吸煙、飲酒或者出現(xiàn)呼吸中止時當場警示接收者。

牙齒是一種特例情形，因為能夠產生足夠的力和壓力，并以能量采集技術（例如之前提及的壓電技術）加以收集為傳感器供電。 體表（或者體內）傳感器的能量采集是伊利諾伊大學的另一個研究課題。 他們研發(fā)出一款機械式能量采集片，可以從跳動的心臟捕獲并存儲能量（圖 5）。 該生物塑料基片承載有傳感器和能量調節(jié)電路，能夠測量肌肉能量輸出或者檢測出運動員何時熱身或者過度疲勞。 經證實，只是將采集片彎折后再攤平就能為 3.8 伏的電池充電。

能量采集對那些需要起搏器輔助的人士具有重大價值。 植入的調節(jié)假體可以持續(xù)自行充電而無需定期進行開胸手術更換電池。

圖 5 類似圖中的能量采集片可以插入到心臟或者肺部，使用通過物理運動產生的能量為體表或者體內的其他傳感器和電子器件充電和提供動力。

現(xiàn)在的植入技術比以往更為普及，已成為我們日常生活的一部分。 英國開發(fā)的 Digital Health Assistant（數(shù)字健康助手）就是其中一個例子。 它是一款可植入的傳感器，通過檢測人們動作、習慣、飲食、心率、情緒以及其他代謝功能的變化，來檢測出人們何時“不舒服”。

特別值得一提的是情緒檢測。 這將在新領域（以傳感器而言）為抑郁癥提供潛在的技術解決方案。 可能在不久之后，我們就可以看到檢測器在需要時就可為您分配抗抑郁藥物。

類似地，靜脈傳感器技術也可為古諺語“沒有什么神圣不可侵犯”提供新的佐證。 甚至親密度也可以使用 Tactilu1 手環(huán)等器件隨時隨地進行監(jiān)測，這種手環(huán)能夠傳輸使用者之間的接觸信息。 可以想象將數(shù)字化貞操帶植入我們精力充沛的年輕身體內的情形。

結論

我們對醫(yī)療領域的深入了解，讓我們能夠以更具侵入性的方式探測和監(jiān)控影響我們健康的內部過程。 在醫(yī)生設法使用更多傳感器來監(jiān)測特定代謝指標的過程中，該趨勢將會持續(xù)。 隨著用于體表或者體內的新型智能傳感器的推出，越來越多的人將體驗到以下情形：有源傳感器在我們走路、交談、吃飯和睡覺的同時，默默地對我們的健康狀況進行監(jiān)測。 我們正在成為我們全球互聯(lián)網(wǎng)中的一個無線數(shù)據(jù)節(jié)點。 我們期望沒有人可以侵入我們。

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參考

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