醫用可穿戴柔性電子設備質控技術研究

王權，李佳戈，郝燁

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

引言

柔性電子技術是將有機或無機材料電子器件制作在柔性或可延展基板上的新興電子技術。柔性電子技術確保了產品良好的貼合性、穩定性，即便在惡劣的條件下依然能夠采集到較高質量的信號。柔性電子技術最早出現在20世紀70年代。早期的柔性電子技術應用于顯示領域，但當時的柔性電子技術并未形成體系[1]。2000年，柔性技術已經在醫學健康領域獲得了廣泛的研究，如有研究機構已研制出柔性醫學采集設備或測量設備，這些設備已經能夠實現基本的預期功能，如溫度監測，但是受限于材料學和傳感器技術的發展水平，當時的柔性設備的靈活性和柔韌性還不能夠及時響應人體日常肢體形變帶來的信號變化，即尚未達到醫療領域的精度要求[2]。隨著材料科學、傳感器以及機械加工領域技術的發展，目前柔性技術已經發展成為一個系統多樣的知識體系，并廣泛應用于以主動健康、精準醫療為特點的現代醫學領域，并以輕質、便攜、靈活形變的特點廣泛應用于可穿戴、可植入的醫療設備[3-4]。柔性技術的發展使我們對人類生命健康狀況的檢測由被動變為主動，通過長時準確的檢測生命體征參數，可以更準確便捷地判斷人體的健康程度。

柔性技術在醫療領域的應用大致可以分為2個類別：監測和治療。監測應用主要是指對生理指標、生理電信號和生物化學信號等與人體相關的健康指標的監測。其中健康指標包括：體溫[5]、血氧[6-7]、血壓[8]、心電[9-11]、腦電[12-13]、電化學指標[14]等，如采用柔性電極穿戴在體表進行胎心監護的柔性胎心儀[15]。除了監測健康狀況，柔性技術還廣泛應用于電刺激等治療設備中，如基于電刺激反饋進行控制的義肢[16]，透皮傳輸的神經刺激線圈[17]等。隨著柔性電子產品的不斷迭代以及算法的優化，以溫度貼、多參數監測手表、植入式柔性設備等產品為代表的一系列新型醫療器械逐漸應用于臨床。柔性技術在可穿戴領域應用廣泛，伴隨著老齡化社會發展、亞健康人群增加的趨勢，將進一步推進可穿戴設備及柔性技術在醫療領域的發展[18-22]。通過調研，我國具有注冊證的可穿戴或柔性電子產品如表1所示。

表1 我國具有注冊證的可穿戴柔性電子產品

可穿戴柔性電子進一步保障了人們的健康，一定程度上改變和優化了人們的生活方式，但是由于可穿戴柔性電子技術的創新性，其配套的產品檢驗檢測標準尚未出臺，目前對可穿戴柔性電子的質控評價體系還需進一步完善[23-25]。基于可穿戴柔性電子大多應用于生理信號采集或者電刺激的這一特點，目前國內的主要國行標適用于可穿戴柔性電子的標準以通標和電生理/電刺激類的性能標準為主[26-30]，見表2。

表2 可穿戴柔性電子設備適用標準舉例

本文針對柔性可穿戴產品的質控工作，通過分析風險、搭建測試平臺、提出改進思路等，旨在為產業發展提供科學可靠的質控評測方案建議。

1 風險分析

可穿戴柔性電子產品相對于傳統技術具有不可替代的優點，如尺寸小、重量輕、與人體組織貼合性好等，但同時，其具有的技術特點也不可避免地將引入材料穩定性、結構可靠性等新風險，如果不做好這方面的風險質控評價，很容易產生傳感器失靈、設備故障等問題，直接影響器械本身的整體質量和使用效果。

此類產品引入的風險主要包括3個方面。首先是機械風險。柔性電子器件在可穿戴醫療上的應用，其主要優勢是新型復合材料柔軟貼合的物理特性，能更好地適應人體軟組織的形態變化。這一柔軟可延展的電子特性替代了原有的硬性電路板結構，在帶來結構優勢的同時，也帶來了復雜形變可能引入的新風險。例如，大范圍彎曲扭轉帶來的斷裂風險等。

其次是電學風險。電學性能是柔性電子產品實現臨床功能的基本性能，也是質量評價的核心指標。考慮到使用環境復雜可能導致增加機械形變的可能性，進而增大電學性能失效的風險；可穿戴設備由于長期與人體接觸，人體組織的汗液、血液等會對電子設備特別是柔性電子設備造成侵蝕，進而帶來漏電等電學風險。另外，考慮可穿戴設備尺寸有限，因此微小傳感器和電極使用廣泛，電極尺寸可達到微米級別，增加了電學評價的難度。

最后，可穿戴柔性電子設備作為一類使用環境復雜、與人體長期接觸的特殊類醫療器械，還有一些重要的風險不可忽略，如生物相容性評價是風險評價中的重要一環。作為制造商，除了考慮對成品的生物學評價，更應該加強對設計階段的材料、結構分析，避免產生生物學風險；考慮到產品除了應用在醫院環境，還可能應用在家庭、社區等醫院外場合，電磁兼容風險和可用性風險評價也是不可缺少的，一般應該在設計階段和成品階段分別開展對應的可用性評價。在電磁兼容評價中，也要參考產品的臨床使用條件確立對應的基本性能并開展符合性驗證。

2 質量評價

考慮到柔性電子器件可以在多種應用場景下使用，為了針對這種新型電子器件開展全面、完整的多場景下質量評價，必須建立符合產品特性的機械性能、電學性能測試方案。

2.1 機械性能評價

為了更貼合使用表面，柔性電子器件不同于普通產品，在柔性和可拉伸性方面具有突出的優勢。這一特性一方面讓柔性產品更加貼合體表，輕便舒適；另一方面也帶來了彎折和斷裂的風險。因此，對柔性器件的彎折、拉伸、扭轉等機械形變進行評價具有重要意義[31-33]。傳統的機械檢測裝置通常只能提供單一的測試方法，如單一的振動、拉伸、彎曲測試等。針對柔性器件應用領域的擴大以及因此導致的各種可能出現的機械形變，需要進行多種類型的機械試驗。為實現全面可靠的評價，需要開發必要的機械測試工裝。以人工視網膜產品為例，此類產品通過采用柔性電極刺激視神經的方法幫助患者重新獲得基本視覺。人工視網膜產品一般包括圖像處理系統、無線數據傳輸系統以及微電極刺激器等。其中，微電極刺激器是核心部件，兼具了柔性器件和微型器件的特點，使用環境面臨的機械風險包括手術中的拉伸彎曲。為了對上述風險進行評價，必須搭建可用的機械試驗平臺（圖1）。

圖1 柔性電極機械實驗平臺

通過圖1中該平臺的多軸聯動，可實現柔性電極的拉伸、彎曲或組合機械性能評價。考慮到人工視網膜這類產品的特殊性，其機械風險主要源于手術植入過程中不可避免需要進行多次拉伸扭轉，以便將產品固定到位。這其中主要的2個失效風險點是電極部分和線圈部分。以彎曲疲勞實驗為例，首先針對上述2個風險點，通過調研已上市同類產品的手術數據，并根據分析手術影像，統計出平均每臺手術線圈彎折次數≤20次，彎折幅度＜30°，電極的彎曲次數約500次，彎折幅度＜30°，其中30°為電極和線圈處硅膠材料的自然狀態下最大彎曲角度。故據此針對不同部位設計了對應的實驗條件，設計產品的抗彎曲疲勞實驗條件如下：線圈彎曲50次，幅度30°，電極彎曲1000次，幅度30°，在該疲勞條件下試驗后的產品應能保證正常的工作狀態。產品成品在該條件試驗后，產品可以保持之前的工作狀態。產品的工作狀態確認分為2個部分進行，首先在顯微鏡下檢查電極和線圈的外觀，狀態良好，未出現斷裂；其次，通過電學導通測試，可發現產品的導通狀況良好。

2.2 電學性能評價

醫療器械的有效性評價關注被評價器械在正常使用時是否能夠達到設計時的預期目的。對于采用柔性電子技術的可穿戴有源醫療器械的有效性評價，主要是根據其設計的預期用途，對其電學性能等進行分析評價[34-37]。

傳統有源醫療器械大多采用金屬和半導體材料進行電信號傳導，這類材料一般硬度較大且尺寸偏大，不適合應用在長期的可穿戴的場景中。柔性電子技術具有柔軟且可導電特點，可根據需要設計合適的尺寸和形狀，更方便實現與人體組織的緊密貼合，適合應用于長期性的可穿戴設備。但是這類新技術的應用，為電學評價帶來了一些新的挑戰，如對于柔性微小器件，普通導線連接很難實現，如何搭建測量電路成為難點；可穿戴設備大多采用Wi-Fi、4G等無線傳輸方式完成數據交換和功能實現，還需要考慮針對無線傳輸補充開展評價和質控[38-41]。

以人工視網膜產品為例，人工視網膜產品是利用微小電極刺激視神經補償視覺功能的一類設備，這類設備的柔性結構可以緊密貼合人體器官，電極尺寸在微米級別，電極個數在幾十至上百個。這類產品的電學評價無法采用直接電路板方式進行，同時考慮電極的分布和結構比較特殊，無法采用通用接口電路，在實際檢測中可通過定制的高密度導通電路以及電化學方式開展電學質控，此外還需要開展針對Wi-Fi等無線通信技術信號傳遞有效性的評價。人工視網膜電學性能評價平臺如圖2所示。

圖2 人工視網膜電學性能評價平臺

在電學實驗中，除了應考慮可穿戴設備接口需要特制工裝的特殊性之外，還需要根據實際臨床使用環境來確認產品的實驗條件。以導通實驗為例，建議選擇廠家確定的臨床典型電流值和頻率值作為產品的測試條件，導通測試也應最少進行3次，以降低實驗中隨機性誤差。而在無線傳輸實驗中，實驗模型為了盡可能貼近真實使用環境，應將被測電極放置于0.9%氧化鈉溶液中模擬人體組織液環境，同時根據臨床應用中發射器與接收線圈之間的位置關系確立相對位置，在盡可能接近實際使用條件的前提下評價產品的無線傳輸特性。根據實際檢驗工作的經驗，這種接近臨床的實驗條件才能更準確反映出產品的真實性能。

綜上所述，對于沒有具體性能標準可供參考的可穿戴設備，質量評價工作一方面要從風險分析的角度全面考量使用環境可能引入的電學、機械、生物學、電磁兼容、可用性等風險；另一方面要根據臨床的具體使用條件確立實驗條件，以完成對這類設備全面、準確的質量評價，使實驗結果更能反映產品的真實性能。

3 總結

我國的可穿戴柔性電子器械并無成形的檢測裝置和標準體系，質量評價工作起步較晚，但是作為一種廣泛應用于主動健康領域的新型有源醫療器械，可穿戴柔性電子產品又展現出了不可替代的產品優勢。隨著行業需求的日益增長，目前大量的可穿戴柔性電子產品出現，對檢驗評價工作提出了挑戰。本文針對可穿戴柔性電子產品介紹了目前的質控情況，結合此類產品特性及臨床需求，分析容易出現的風險點，提出針對風險點的質量評價建議。為今后該類產品的研發提供了一定的思路，也為更好地開展質量評價工作提供了參考。