關于穿戴式人體傳感器網絡的研究思考

韓世鵬 Olatunji Mumini Omisore 王磊

穿戴式人體傳感器網絡（wearable body sensor network，WBSN）是涉及可穿戴、微機電、生物醫學電子等多學科的交叉技術。作為近年來移動互聯網的熱點發展方向之一，WBSN具有便攜化、無線化、網絡化、信息化等諸多優勢。基于人體傳感器網絡的穿戴式醫療設備可實現健康全過程的跟蹤與服務；采用醫學智能技術對人體健康信息進行智能處理，對于預防人體疾病具有重要的意義。智慧醫療、移動醫療、遠程醫療、家庭醫療、社區公益醫療都在催促著醫療市場快速發展，穿戴式人體傳感器網絡技術作為突破醫療健康檢測設備和人體健康信息監測的攻堅技術，具有很大的研究價值和醫療需求。

1 前景分析

人體傳感器網絡及醫療健康服務應用是穿戴式設備的發展趨勢之一，WBSN主要涉及生理參數檢測、運動數據統計及健康狀況改善等方面的設備和技術。據英國市場研究機構朱尼普研究公司（Juniper Research）最新報告，2014年全球大約有1900萬個可穿戴設備在使用，預計到2018年，使用量將是2014年的3倍。據美國消費電子協會（CEA）和美國電子電氣工程師協會（IEEE）報告，預計2022年，全球可穿戴設備的全年銷售額將達到2800億人民幣，這主要得益于可穿戴醫療健康服務類產品的推動。據全球移動通信系統（GSM）對移動醫療行業的測算標準，預計2022年中國可穿戴設備市場銷售額可達到600億元人民幣。針對可穿戴醫療健康服務的人體傳感器網絡技術服務呈現出3個特點。

（1）基礎醫療電子產品市場競爭更加激烈。隨著中國、印度、俄羅斯、巴西、墨西哥等新興國家經濟的起飛，醫療技術的發展使醫療電子設備的主要功能從診斷治療轉向保健，并逐漸向基層普及。這些新興市場需要更加實用的醫療器械新產品——從最普通的電子測步表、電子血壓表、電子血糖儀、電子按摩儀、電子疼痛治療儀到價格相對較高的家用制氧機等大眾醫療電子產品。隨著國際醫療電子巨頭在高端市場不斷收緊并向相對低端的基礎市場延伸，以及我國醫療電子設備研發技術水平的提升，在上述領域國內外企業的市場競爭將更加激烈。

（2）高端與低端醫療設備國產化進程繼續加速推進。近年來，我國啟動優秀國產設備產品的遴選工作，越來越多的醫院開始使用國產醫療設備，這促進了我國醫療電子行業的發展。一批國內優秀的醫療電子企業，如邁瑞、上海聯影、萬東醫療、東軟醫療、深圳理邦、深圳安科等迎來發展良機，在政府相關政策與財政支持下，必定會在未來幾年將一批先進技術水平的醫療設備進行產業化。

（3）移動醫療等成為未來新型醫療模式。智慧醫療、移動醫療、遠程醫療、家庭醫療和社區公益醫療是未來醫療行業發展的大趨勢，它們將改變傳統就醫保健的方式，同時節省醫療資源，有效解決我國醫療管理系統不完善、醫療成本高、覆蓋面窄等問題。醫療電子產品的使用已不再局限于傳統的專業醫療機構，家庭護理方面的應用需求正在急速擴張，而應用場合的轉移對醫療電子產品的小型化、便攜化提出了更高的要求。隨著全社會信息化程度的提高，醫療電子向網絡化、遠程化、無線化方向發展。未來移動醫療將逐漸滲入市民生活，市民就醫從掛號到治療都會實現網絡互連，這可大幅降低患者和醫院的時間成本，提高診治效率，確保醫療服務資源的最優整合和協同效應。

2 研究現狀

2.1 現階段研究熱點

近年來，醫療健康服務發展如火如荼，尤其以穿戴式人體傳感器網絡技術為核心的柔性穿戴式醫療設備創制是一個極具挑戰性的研究領域，涉及“核心部件—柔性集成—醫學智能—創新應用”等方面的研究工作，現階段的研究熱點主要包括：（1）生物檢測方面，研發半導體納米材料的高性能微納傳感器、可穿戴活性傳感器、碳納米材料超薄膜和具有仿生功能的電子皮膚、電子織物等核心器件；（2）生化傳感器方面，研發高結晶度、高縱橫比的納米纖維素生物膜基底的表皮生化傳感器，以及采用聚酰亞胺和硬質玻璃作為襯底基板，金和氧化鋅作為傳感電極，設計靈活可穿戴的汗液傳感器，用來監測酒精濃度；（3）柔性集成方面，基于仿生微納加工、低功耗集成電路（IC）設計與高密度封裝技術，開發高可靠性的硬件系統；（4）人體數據通信方面，研究人體近端信息交互原理及信息安全理論，實現高能效人體近端通信；（5）健康狀態辨識方面，研究適用于穿戴式生命健康數據集的機器學習方法，以及與生物信息大數據的融合技術；（6）系統供能方面，研究納米發電機、柔性光能材料和基于溫度梯度的能量搜集 方法，開發原理樣機；（7）醫療健康應用方面，探索穿戴式醫療設備與時尚、創新設計的融合，行業、團體標準及商業模式的設立，以及柔性可穿戴醫療康復機器人等新應用。

2.2 國內外研究進展

（1）生理和生化檢測方面。Ryu等通過干紡方法制備了高度取向性的碳納米管纖維彈性應力傳感器。Yugandhar等對于壓電微機電系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）建立了仿真模型。Yamada等制備了定向排列的單壁碳納米管薄膜，拉伸時碳納米管破裂成島-橋-間隙結構，其形變可以達到280%。Tee等和Lipomi利用具有錐狀微結構的壓阻傳感器制備了可以向大腦傳遞觸覺信息的電子皮膚和在彈性基底上制備了電容型透明可拉伸的碳納米管傳感器，其對壓力和拉力同時有響應。Chae等制備了可以高度拉伸的透明場效應晶體管，其結合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無機介電層碳納米管網格通道。Gong等開發了實用的高靈敏壓阻傳感器，在彈性基底上構筑了金納米線薄層和電極陣列。Liao等研制了柔性可穿戴的葡萄糖傳感器。Bae等研制了雙層PDMS復合結構，增強了吸附力。

筆者團隊依托中國科學院重點部署項目，針對下一代可穿戴醫療健康服務的共性與關鍵技術，利用酶電極、納米技術和柔性微機電系統構建可穿戴式汗液傳感器，檢測汗液中葡萄糖、乳酸、尿酸、氨基酸和各種離子（如鈉、鉀、鈣、氯離子）等多種健康狀態辨識指標，建立與人體健康相關指標的聯系。汗液傳感器采用葡萄糖、乳酸、尿酸氧化酶的定向進化及納米組裝體設計，提高葡萄糖、乳酸、尿酸電化學檢測的靈敏度和穩定性；發展基因密碼子擴展方法，設計篩選對特定生化分子具有特異性的氧化還原酶，通過將氧化還原酶定點特異偶聯到圖案化高密度金和石墨電極，實現生化信號到電信號的高效轉化，提高生物電化學傳感系統的靈敏度和穩定性；葡萄糖、乳酸、氨基酸氧化酶及各種離子檢測手段在可穿戴設備上的整合，建立陣列式微針酶電極的工藝流程，實現心血管及糖尿病健康管理示范。

（2）醫療設備集成與健康狀態辨識方面。Kim等分析了穿戴式低功耗心電圖監測專用集成電路的設計。Kmon和Grybo?研究了基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的低功耗低噪聲多通道神經放大器。Muller等研制了采用0.5 V低電壓供電的生理信號采集IC。Lee等設計了基于Gm-C結構的低截止頻率濾波器結構，芯片在超低截止頻率和電源噪聲抑制方面有進一步的改善。Qian等分析了應用于癲癇病治療的微功率低噪聲神經信號檢測記錄前端電路。Chang等致力于研究低功耗高性能數字濾波器的設計。Piwek等研究可穿戴衣物為患者提供個性化的健康數據，協助自我診斷和干預。Poon等分析了大數據應用背景下的可穿戴傳感器技術的應用前景；McDonald等系統分析了數據與疾病、健康或行為的關聯性；Chaussabel和Pulendran論述了基于穿戴式數據采集的信息應用于臨床決策的相關案例；Rumsfeld等將相關的穿戴式數據集與智能分析方法應用于具體心血管疾病的臨床分析；Eisenstein將基因生物數據與健康監護數據應用相結合，應用于社區人口的醫療與康復實證。

2.3 當前研究領域存在的問題與制約

前述研究工作很大程度上提升了穿戴式人體傳感器網絡各單項技術的水平，但是縱觀相關領域的科研工作，尚存在如下不足：（1）在生物檢測與傳感部分，對材料創新、可獲取的體征參數的種類和新參數的研究較多，但是對柔性傳感器的接口電路、符合人體生理學和工效學的傳感器優化設計的研究較少，導致樣機系統在動態連續檢測時的效果變差，很多傳感器不能實用。（2）上述研究對傳感器、IC芯片、電子電路等所有模塊的柔性集成的研究較少。因此，雖然傳感器是高度可柔的，但整個系統的柔性較差或幾乎沒有柔性，使得以人體傳感器網絡為核心的柔性穿戴式醫療設備的稱謂“名不符實”，也導致連續檢測期間運動偽差的增大和穿戴舒適性的降低。（3）對柔性系統進行原理驗證的探索研究比較多，但與具體醫療健康需求相結合的應用研究比較欠缺。

上述3個問題嚴重制約了以人體傳感器網絡為核心的柔性穿戴式醫療設備真正被作為今后基層醫療、移動醫療的技術手段面向大眾的推廣。如何克服和解決這些問題，是該領域內具有挑戰性和重要性的一項前沿課題。

3 研究策略建議

人體傳感器網絡技術是穿戴式醫療健康設備在健康管理、隨身健康監護、遠程醫療等健康醫療設備或解決方案等方面的重要技術基礎。未來的技術突破主要集中在人體傳感器網絡的關鍵技術、核心器件和解決方案，可從以下4個方面展開研究，進一步為實現可穿戴醫療健康應用提供相應的技術積累。

3.1 圖形化、多模態MEMS柔性電極制備技術

（1）基于人體工效學原理，優化電極結構形狀。開發在人體不同狀態下仍保持良好電學性能和信號采集性能的傳感器互聯互通方案，為穿戴式傳感器信號的采集、處理與分析提供安全舒適、穩定可靠的體表接口。具體包括研究基于柔性襯底的MEMS設計方法，建立柔性電極結構設計和分析優化模型。基于MEMS柔性電極對電生理/化學/物理等多模態信號采集方法復雜度高、難度大，可以采用圖形化高密度電極制備的方法。該方法使用聚合物材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）和金屬金（Au）作為主要結構材料，這種柔性聚合物作為襯底排布高密度微米級金電極陣列，輔以圖形化導線網絡，起到保護金屬電路的作用，從而實現良好的柔性、化學穩定性和生物相容性，最終實現與人體表皮的最優接觸。

（2）圖形化、多模態MEMS柔性電極制備過程。準備柔性聚對苯二甲酸乙二酯（PET）基板，采用旋涂法在基板上覆蓋光刻膠，通過光刻將需要鍍金部位的光刻膠刻蝕掉；接下來，采用電子束蒸鍍原理在基板上先后沉積鉻和金（鉻有利于增強金和PET基板的結合）；然后通過有機溶劑（如丙酮）溶解光刻膠，同時光刻膠上面的鉻和金也隨之剝離基板，只有需要鍍金區域的鉻和金保留下來；最后清洗基板。相比于傳統柔性電極，基于MEMS的柔性電極可以保證電極長期安全穩定的工作要求、最大化滿足可控圖形化的需求，以及提高整體器件的拉伸、彎曲、折疊等機械性能，實現與人體皮膚緊密無創貼合，增加了信號穩定性和舒適度，從而可以在皮膚表面實現無不適感覺的長期佩戴測量，具備生物安全性，滿足個性化設計的需求。同時，通過三維圖形化設計，降低表面阻抗，增強電極與皮膚貼附性，進一步提升信號采集靈敏度。

（3）柔性電極的機械性能、電學性能和生物安全性測試。探究各種因素對柔性電極的影響，以及如何改善傳統柔性電極力學性能和粘連性不足等缺點，以提高柔性電極在復雜環境下的貼合程度，提高圖形化MEMS電極的信息采集能力。

3.2 高精度參數提取與設備柔性集成技術

（1）高精度多模態模擬前端生物檢測IC芯片設計技術的研究。圖形化、多模態的MEMS傳感器，可以在體表測量電生理、力（觸）覺、pH值、乳酸等多種參數，對接口電路精度的要求更高，可以研究基于動態共模反饋的低噪聲低失調運算放大器和基于電流模技術的高共模抑制比增益可調的儀表放大器設計技術，以及采用全CMOS結構設計高精度低功耗電壓/電流基準源和全MOSFET結構的電源電壓及溫度補償等技術，開發更高精度和更低功耗的柔性可穿戴醫療設備模擬前端芯片。

（2）高精度參數提取與全柔性微系統集成。首先，結合自主IC和其他功能部件的物理尺寸和空間布局的實際情況，研究高柔性基板/高精密布線的計算機輔助設計技術，研究根據柔性襯底和柔性基板的運動學分析進行優化布局布線的方法；同時，為降低電路系統中數字電路部分噪聲和熱噪聲對模擬電路的干擾，研究減少噪聲傳播的布局布線多級隔離結構，將干擾盡可能降低。其次，探究柔性襯底和柔性基板的匹配設計，融合MEMS技術與電子技術，實現全柔性的微系統集成。最后，針對生理參數非平穩非線性的特點，采用非線性濾波方法，并加入信號質量評價，聯合形態學分析和時序分析方法進行偽差檢測，剔除污染嚴重的不可用信號段，達到準確可靠地提取多模態體表信號的目的。

3.3 人體通信技術

（1）基于人體通信原理構建穿戴式通信系統。人體通信是以“人”為通信媒介，具有低功耗、安全性高和身體狀態對信道影響小的優點。可以采用人體通信原理構建穿戴式通信系統，這與采用藍牙、Wi-Fi等常規方法構建WBSN有極大不同。利用人體自身在特定頻率下出現的電容耦合現象，進行高能效和高保密性的近場無線數據傳輸，對提升穿戴式設備傳輸性能、完善WBSN理論體系有重要意義。

（2）基于人體生物特征獲取人體信息。基于人體通信的人體生物特征信息傳感技術是在多個實驗對象的基礎上，選取不同的實驗部位，將人體通信收發器放置在實驗部位，信號發生端產生不同頻率、幅度、調制方式的波形，在接收端記錄相應的衰減值。通過建立數值仿真模型，研究電介質變化對信號的影響；通過實驗與仿真相結合，研究基于人體通信的人體生物特征信息傳感技術，獲取人體的“生物密碼”。

3.4 穿戴式醫學智能技術

基于醫學智能的穿戴式醫療設備數據融合處理。在實現多種數據可靠采集及海量數據積累的基礎上，開展基于機器學習的柔性可穿戴醫療設備數據的融合。對不同來源、不同尺度的多種復雜數據進行分析，避免信號中的噪聲及錯誤相互疊加而降低預測準確率，實現精確的個性化預測。研究多數據流信息的特征工程與模式匹配、信息融合、一致性及異常檢測，海量非標數據集的無監督學習方法，以及基于柔性穿戴式數據集的健康監護應用及評估體系，分析穿戴式數據集中的數據高維特性和冗余特性；研究基于降維及數據嵌入的機器學習方法，同時考慮穿戴式數據集應用中的電生理/物理/化學多模態傳感數據的特性，以及應用于健康監護應用中的適應性；研究具備自適應特性的數據嵌入降維機器學習計算框架，探討高維可穿戴數據集的數據分析方法與應用機制。

4 對未來研究中關鍵問題的思考

基于人體傳感器網絡技術的穿戴式醫療設備，必須考慮“人—機—環境”三者之間的關系。

（1）如何充分考慮環境與人體的“變”與“動”來優化核心模塊的可靠性是一個關鍵科學問題。穿戴設備所處的環境多變，人體自身也基本處于運動狀態，確保柔性設備總體性能的穩定、核心模塊的可靠，是非常重要的。此外，若是可以充分利用這種“變”與“動”，建立理論模型，進而研究自適應的可靠性提升策略，可為柔性可穿戴醫療設備的實際應用打下理論基礎。

（2）如何在深入理解人體健康信息的基礎上提高柔性可穿戴醫療設備的信號采集精度是另一個關鍵科學問題。柔性設備與人體的頻繁接觸不可避免，電極部分更是要受到人體穿戴部位的結構、機械性能的影響，信號互擾很嚴重。如何結合人體生理學與工效學，增加柔性設備貼附性、增加信號提取的“效率”，至關重要。同時，人體是一個綜合的整體，如何通過體表多參數提取的有效組合，彌補單個傳感器的檢測精度的不足，也具有重要的理論意義和實際應用價值。