可穿戴醫療設備中生物傳感器的優化設計

隨著健康管理需求的不斷增長以及科學技術的進步，可穿戴醫療設備逐漸成為健康監護的重要手段。生物傳感器是設備的核心部分，其性能的好壞直接影響設備的精度與可靠性。然而，現有生物傳感器在精度、能耗、多指標監控以及數據安全性等方面還存在諸多挑戰。因此，對生物傳感器進行優化設計，優化其性能與用戶體驗，對促進可穿戴醫療設備的發展具有重要意義。

1生物傳感器的基礎技術

1.1生物傳感器的定義與工作原理

生物傳感器（Biosensor)是一種將生物識別元件（如酶、抗體、核酸等）與物理或化學傳感技術相結合，對生物體進行檢測的裝置。其原理是利用生物識別元件對目標物的特異性進行識別，通過與目標物的特異性結合，使其理化性質發生變化，并將該變化轉換成可探測的物理信號（如電、光等），通過信號處理系統轉換成可視化的數據，實現對目標物的定性或定量檢測。以血糖檢測為例，利用葡萄糖氧化酶作為生物識別元件，對葡萄糖具有特異性識別作用，通過傳感器與信號處理系統對血糖信號進行處理，得到血糖濃度數據，為醫療保健等領域提供重要的檢測數據[1]

1.2常見的生物傳感器

生物傳感器在健康監測領域得到了廣泛應用。心率傳感器通常是利用血液對特定波長光的吸收與反射來檢測心率。當心臟跳動時，血管內的血流速度會發生變化，從而引起光線的吸收、反射等變化，傳感器將光信號轉換成電信號，然后計算電信號的變化頻率，從而獲得心率數據。血氧傳感技術是利用血紅蛋白在不同氧氣狀態下的吸收特性，通過雙、多波長光探測出血氧飽和度。人體體溫檢測通常采用熱敏電阻或熱電偶，其阻值或熱電勢隨溫度變化而發生變化，從而實現對人體體溫的準確測量。人體汗液生物傳感器是一種較為復雜的生物傳感器，它通過檢測人體內電解質、代謝產物等生物標志物來分析人體的代謝與健康狀態，為疾病診斷與健康管理提供基礎數據。

2 可穿戴醫療設備中生物傳感器的優化設計

2.1 提高準確性和穩定性

準確、穩定的生物傳感器是可穿戴醫療設備優化設計的關鍵。靈敏度是指傳感器對目標物的響應程度，能檢測出生物標記物在檢測過程中發生極其微小的變化。例如，當檢測血液中某些特定蛋白時，高靈敏的傳感器能夠在疾病早期檢測出蛋白含量的微小變化，從而達到早期診斷的目的。特異性方面，要求傳感器只對目標物有反應，而不會受到其他物質的干擾。穩定性方面，要求傳感器在長期使用過程中能夠保持性能的一致性，保證測試結果的可靠性。同時，溫度、濕度、電磁干擾等環境因素也會對傳感器的測量精度產生影響，因此，減少這些因素對傳感器性能的影響顯得尤為重要[2]

新材料、新工藝是改善傳感器性能的有效手段。納米技術的應用為傳感器提供了高靈敏性、高特異性的檢測手段。納米材料因其獨特的物理化學特性，比表面積極大增加了生物標志物的接觸面積，提高了檢測靈敏度。例如，納米傳感器能夠探測生物分子之間的結合情況，極大提高了檢測的準確性。微電子學技術使傳感器小型化、集成化，降低了外界環境的干擾，提高其穩定性。通過將傳感器與微電子學相結合，可實現對信號的快速處理與傳輸，從而提高系統整體性能。為了提高傳感器的穩定性與可靠性，需要對電路設計進行優化，改進數據處理算法。在電路設計上，可利用屏蔽、濾波等方法來降低外界干擾對傳感器信號的影響。例如，將電磁屏蔽層加到傳感器電路中，可有效減小電磁干擾對信號的影響。在數據處理算法上，利用去噪、校正等方法對傳感器數據進行處理，以提高數據的精度與可靠性。

2.2 多指標監測

目前，大部分可穿戴生物傳感器的功能比較單一，只能檢測心率、血壓、血糖等指標。但人體是個復雜的有機體，各種生理指標之間存在著一定的聯系和相互作用。單一指標的監測通常僅能反映身體的某一方面，不能全面、準確地評價人體健康狀況。為實現更全面、更精確的健康監測，研制可同時監測多個標志物的傳感器已成為可穿戴醫療設備的發展方向。生物體內各種生物分子之間存在著相互作用。例如，葡萄糖濃度的改變可以影響胰島素分泌，進而影響脂肪和蛋白質的新陳代謝；炎癥反應可引起大量細胞因子及炎性介質的釋放，進而影響免疫系統及心血管系統。因此，對生物分子間的相互作用及影響進行研究，是實現多指標同時檢測的基礎。在此基礎上，設計能夠同時檢測多種生物標志物的傳感器，以獲得更為全面的生理學信息。

此外，要實現多目標監測，還面臨很多挑戰。一方面，要發展一種能同時識別多個生物標記物的傳感技術。這就要求傳感器具有高選擇性、高靈敏性，能夠實現對復雜生物樣品中目標標志物的準確識別與檢測。另一方面，也存在著對多指標數據進行處理與分析的難題。多個標志物之間存在相關性和交互作用，如何從中提取有用信息并對其進行準確評估，是實現多指標聯合監測的關鍵。利用機器學習、人工智能等先進數據分析技術，對多指標數據進行深度挖掘與分析，為用戶提供更加全面、準確的健康評價報告，幫助用戶及時了解自身健康狀況，采取針對性的防治措施[3]

2.3 低功耗設計

在可穿戴醫療設備中，低功耗設計已成為影響其實用性與用戶體驗的重要因素。由于此類設備主要依賴電池供電，電池容量有限，如果功率消耗過大，設備需要頻繁充電或者更換電池，將給用戶帶來很大的不便，甚至影響到設備的正常使用。因此，低功耗設計是延長設備壽命和提高用戶滿意度的關鍵。對數據處理算法進行優化是降低系統功耗的一個重要方法。在設備操作過程中，數據處理算法直接決定著對采集到的生物傳感器數據的分析與處理。高效的算法能減少不必要的計算步驟。例如，采用智能濾波算法，只處理關鍵數據，剔除冗余信息，在保證數據精度的同時，減少計算量，從而降低處理器的運行時間和功耗。

同時，通過減少不必要的運算與數據傳輸，可以有效地降低系統的能耗。設備采集數據之后，并不是所有的數據都要實時處理傳輸，設定一個合理的數據閾值，當數據波動在正常范圍內時，中斷數據的傳輸與部分運算。只有當數據發生異常或者滿足一定條件時，才會對數據進行處理與傳輸，從而有效地降低功耗。采用節能材料及部件是進一步降低設備能耗的重要途徑。低功耗傳感器與處理器是實現低功耗設計的前提。新型低功耗傳感器可以在保證測量精度的前提下，大幅度降低傳感器本身的能量消耗。例如，一些以納米技術為基礎的生物傳感器，在偵測生物標志物時，需要較低的工作電壓，能降低能源消耗。低功耗處理器也是必不可少的，它能以較低的功耗處理數據，既能滿足設備的性能要求，又能降低能耗。從算法優化、硬件部件選擇等多個角度出發，全面實現低功耗的設計，可以有效地延長可穿戴醫療設備的使用壽命，提高其實用性，使用戶可以更加方便地使用設備來進行長期的健康監測。

2.4 數據安全性

隨著可穿戴醫療設備的普及，生物傳感器采集包含心率、血壓等敏感數據，一旦被泄露，將給用戶帶來極大的隱私風險。因此，在可穿戴醫療設備設計過程中，如何保證數據的安全是一個不可忽視的問題。采用加密算法來保證數據的安全性是非常重要的。加密算法可以將原始數據轉換成密文，即使在傳輸和存儲過程中被第三方獲取，如果沒有正確的解密密鑰，也不能恢復原始的私密信息[4]。例如，數據使用高級加密標準（AES)之類的加密算法在傳感器向設備終端或云服務器傳輸期間被加密，以保證數據的保密性。同時，權限管理機制也是非常重要的，它通過設定不同的用戶權限，使特定的用戶或者應用程序能夠訪問特定的數據，只有授權用戶才能獲得并使用這些數據，以防止數據被未經授權的第三方惡意訪問。

除技術措施外，加強用戶對數據隱私保護的教育也是至關重要的。很多使用者可能沒有意識到個人資料的隱私性，隨意分享個人健康資料。為此，設備制造商及有關單位應利用產品說明書、官網、用戶培訓等多種途徑，對用戶進行數據隱私保護方面的教育，使其充分認識到數據泄露的潛在風險。同時，還將提供豐富的隱私設置選項，允許用戶選擇是否要分享個人健康數據，以及在哪些范圍內分享，給予用戶完全的控制權，在技術保護和提高用戶意識的雙重保證下，切實保障用戶數據的安全性，使用戶能夠放心地使用可穿戴醫療設備。

2.5 舒適性和便捷性

可穿戴醫療設備的舒適性和便捷性是決定使用者的使用體驗與持續使用意愿的重要因素。當使用者戴上不舒服或不方便時，就有可能棄用，從而失去對健康的監控價值。采用柔軟、親膚的材質，以提高舒適度。人的皮膚是比較敏感的，特別是長期接觸的東西，材料的質地、性質都會影響使用者的感受。例如，有些可穿戴醫療設備使用硅膠材料制作表帶和與皮膚接觸的部件，普通硅膠可能會造成使用者的皮膚過敏，甚至有悶熱的感覺。而新型親膚硅膠材料，在保持彈性的前提下，加入了一種特殊的成分，可以降低皮膚的過敏反應，增加透氣性，讓肌膚保持干爽，極大地減少了皮膚的刺激與不適。

另外，天然纖維(如竹纖維和莫代爾纖維)因其柔軟性透氣性和吸汗性等特點，在可穿戴醫療設備設計中得到越來越廣泛的應用。設計輕量化、易穿戴的器件是提升其便利性的關鍵。現代生活節奏加快，人們對小而輕的設備的需求越來越大。例如，一些智能手環類型的可穿戴醫療設備，重量只有幾十克，厚度只有幾毫米，佩戴在手腕上幾乎沒有任何負擔，很容易就能融入日常生活，不管是鍛煉、工作還是休息，都能輕松自如，如圖1所示手環。此外，這種設備的佩戴方法也非常簡單，如采用磁吸式或卡扣式設計，使用者可以迅速穿戴或取下，操作簡便。本文以舒適性和便捷性為目標，通過材料選擇與設備形態設計，使其更好地與使用者生活相融合，提高使用者的依從性，發揮長期健康監測功能[5]。

圖1智能手環

3結語

隨著醫療技術的飛速發展，優化設計生物傳感器是實現可穿戴醫療設備智能化、個性化的重要支撐。從精度、穩定性、低功耗等方面入手，結合多指標監控與數據安全性保障，使可穿戴設備能更好地滿足用戶的需求。未來，隨著人工智能與物聯網技術的深度融合，生物傳感器的智能化程度會越來越高，為醫療行業數字化轉型提供了更加全面和準確的解決方案。

參考文獻：

［1］鐘興平，陳艷霞，陳晨，等.壓電生物傳感器及其在醫療健康中的應用[J].化學進展，2024，36(7)：975-986.

［2］楊晗，王鈰弘，鐘豪，等.石墨烯柔性生物傳感技術與可穿戴式精準醫療健康監護應用[J].中國激光，2024，51(9):223-234.

[3]鄒利媛.功能核酸生物傳感技術用于乳腺癌外泌體的檢測研究[D].長沙：湖南大學，2022

[4］張清心.用于痕量生物毒素檢測的基于功能DNA的適配體生物傳感技術的研究[D].濟南：濟南大學，2022.

［5］魏晨崴.基于納米材料 ∝ 型三氧化鉬的可見光波段光學生物傳感技術研究［D].大連：大連理工大學，2021.