文 献 综 述

一、 引言

在大数据大发展的时代，随着科技的一步步发展，人们对人类医疗设备的期待也日益增加，人们需要的不再是等到身体发生问题，去医院了解自己的身体状况，而是能在平时的生活中就开始注意自己的身体健康的各项指标，这样才能防患于未然。本设计是面向身体健康的指标设计的智能监护仪，它可以不需要专门的医护人员进行操作，使用者可以在学习如何使用之后在家就能做身体健康检测。而且智能检测仪可以进行动态检测，可以根据采集到的数据对使用者做出一定的健康判断，提供可视化的界面等。

二、 健康检测仪的研究现状

”监护”概念最初是来源于军事医疗方面的，尤其是在最初载人航天计划中被提出来的，研究人员需要考虑在外太空人类活动情况之下，测量人体心率，血压等健康参数的变化，因此才出现了关于生理数据的检测，即监护。最初的健康监护仪的组成是比较单一的，即监护仪的放大器的组合。但是随着微型计算机芯片的发展，使得硬件和软件相结合的监护机的出现成为可能。但是生理检测仪器一般是在重症监护室里面才配备的，需要专门的医护人员进行操作，不易携带，价格也比较高。便携式生理参数检测仪是近年来才出现的^[1]。

在国外，1962年，北美建立第一批冠心病监护病房（CCU）以后，监护系统得到了迅速发展，随着计算机和信号处理技术的不断发展，以及临床对危重患者和潜在危险患者的监护要求的不断提高，对CCU/ICU监护系统功能要求也不断提高，目前，监护系统除具有以前的多参数生命体征监护的智能报警外，还要求在监护质量以及医院监护网络方面有进一步的提高，以更好地满足临床监护、药物评价和现代化医院管理的需要。

2017年，美国圣犹达公司^[2]研发的植入式的智能心脏监护仪得到了美国FDA的批准，这一款智能心脏监护仪不仅体积小，测量精准，植入方便，而且还能够与智能手机通过专门的APP进行连接，患者心电数据可以及时地传送到网上的医疗信息系统，形成智能动态的心电数据，也可以在关键时刻向医院发出急救信号。该款心电监测仪器的优点在于，其一，它可能持续性地动态精确测量人体心电数据，弥补了传统心脏监测技术的不足。其二，智能的信息传输系统可以让患者获得第一时间的医疗机构的关注，及时提供治疗。其三，长期的数据追踪改善了心脏术后管理和药效评价。但价格也是相对昂贵，目前，国内还未引入此类心电监测仪器。再比如美国的MIO Slice-PAL智能手环，可以检测人体卡路里，距离，睡眠和心率等人体指标，且该手环通过蓝牙可以和手机相连并适用于多个APP，此类手环首次采用PAL(personal activity intelligence，个人运动机能指数)作为身体对活动反应的评判标准而设计的，PAL是以年龄，性别，静息心率和最大心率为基础，通过一定强度和持续性的引起心率变化的运动，综合计算得出的运动指数，这款智能手环也于2017年三月份开售。PAL算法是评判身体健康的新指标，最近在美国健康医疗仪器引起很大关注，美国三十多加对此广加报道，MIO公司也开始和飞利浦公司等开始在该方面开始合作，这也算是进来智能手环的一个走向。

在国内，在智能监护仪这一领域内的研究起步较晚，但是也颇有一些成果。比如英唐众创推出的家庭健康监护系统，该系统是由嵌入式检测仪，家庭端的PC机，医疗端的PC机和后台的网络服务系统组成，可以对使用者的心率，血压，脉搏等健康参数进行测量，并且可以把检测到的数据传到后台网络服务系统上，医生可以在网上进行分析并且反馈咨询意见。但是该系统的嵌入式监护仪都是由8位的单片机构成，并且不能够脱离PC工作，在一定程度上约束了它的发展和推广。目前来说，心脏与心血管疾病是我国常见疾病之一，2017年6月由国家心血管疾病中心，中国心血管报告编写组发布的《中国心血管病报告2016》。该报告指出，目前心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位，农村为45.01%，城市为42.61%^[3]。我国心血管病危险因素流行趋势明显，导致了心血管病的发病人数增加，并且医疗资源的分布不均，患者人群分布不均，就中国目前情况而言，相关医疗设备都是要到大医院才有，并且费用高，设施笨重，并且要在医护人员的看护环境下才可以使用，对患者而言既麻烦又昂贵^[17]。

目前在行业内，我国监护仪高端市场主要被国外品牌占据，如飞利浦和GE等，其产品在性能，质量等方面占据优势，但同时价格也比较昂贵。我国本土企业则主要活跃在常规产品市场，均在中低端市场占据较大的市场份额，如深圳迈瑞，宝莱特，科瑞康和理邦等。而能够在国际市场上占有一席之地的国内企业也只有迈瑞，宝莱特等几家^[4]。

三、血压测量的研究现状

目前，对于血压的测量有分为临床医疗上的有创血压测量和一般生活中的无创血压测量，且有创血压测量是针对危重的病人。由于本文研究的是日常生活中血压测量，接下来则介绍无创血压测量技术的现状。

1、柯氏音法测血压^[5]

柯氏音法又称水银柱测量法，于1905年，俄国学者柯洛特柯夫发现，用臂带绑扎上臂并加压，将肱动脉血管压瘪，然后再减压，随着外压力的降低，从臂带内的听诊器中可以听到血流重新冲开血管后发出与脉搏同步的摩擦、冲击音。由于这一发现的重要性，这种摩擦、冲击音就被命名为柯氏音。柯氏通过袖带加压和听脉搏音来测量血压解决了无创测压的方法，对人类医学的贡献是很大的，直到现在很多医疗机构还在用此法测量血压。时至今日，国际医学界依然用此种方法作为血压测量的标准。但是柯氏音测量法虽然是国际标准，但是它的成立时基于好几个假设之上的，对于血管硬化特别严重和严重肥胖的人来说，柯氏音测量法并不准确，但是该法之所以是国际标准，故在一定的范围误差内可认为是准确的，但是该法的使用和医者水平和很大关系，故在日常血压检测中却不实用。

2、示波法测血压

示波法是90年代发展起来的一种先进的电子测量技术，但是只是电子测量上的先进，测量技术却不是很好。其原理是首先把袖带捆在手臂上，对袖带自动充气，到一定压力（一般比收缩压高出30～50mmHg）后停止加压，开始放气，当气压到一定程度，血流就能通过血管，且有一定的振荡波，振荡波通过气管传播到压力传感器，压力传感能实时检测到所测袖带内的压力及波动。逐渐放气，振荡波越来越大。再放气由于袖带与手臂的接触越松，因此压力传感器所检测的压力及波动越来越小。选择波动最大的时刻为参考点，以这点为基础，向前寻找是峰值0．45的波动点，这一点为收缩压，向后寻找是峰值0．75的波动点，这一点所对应的压力为舒张压， 而波动最高的点所对应的压力为平均压。但是0.45和0.75这两个值对于不同血压计商家而言却不同。由于示波法测得值是浮动变化的，不存在规律性，可能存在若干个最大值，所以根据计算得到的数据无法真正体现血压的数值。所以示波法测量血压也是建立在假设的前提之下的。凡是存在假设，则必然存在误差，根据科学统计，示波法只适用于70%的人群，剩余30%人群是不适用的。对同一个人来讲，由于人的血液波形是变化的，可能不同时间测量到的血压计又不尽相同。且示波法血压计采用经验数据判定血压读数，但只适合于平静状态下的血压测量，而不能进行运动后的血压测量。

3、脉搏波测血压法

脉搏波血压测量法于2012年研制成功，现已获得中国国家专利局颁发的发明专利，并已申请国际专利。 脉搏波血压计采用上臂袖带加下游脉搏波探测方式，将脉搏跳动的非连续事件转变为连续测量。一方面基于测量脉搏波在收缩压附近的幅度基本呈线性变化，替代判断柯氏音从无到有的过程，避免了由心脏搏动的非连续性造成的不可避免的可能误差，可以准确地无创测量血压中的收缩压；另一方面基于测量脉搏波与相对应的气压交流信号之间延迟时间在舒张压附近的时间特性，替代判断柯氏音从有到无的过程，也避免了由心脏搏动非连续性造成的不可避免的可能误差，可以准确地无创测量血压中的舒张压。脉搏波测量法体现的是真实的血液流动的状态，且脉搏波测量计可以内嵌智能芯片，无需人工操作，现在市面上便捷式血压测量仪大多是采用此种方法进行测量的^[6]。

四、心率测量技术的现状

对脉搏波形与心电图波形之间的关联进行详细的分析，通过使用测量脉搏波取代心电的心电图测量，通过以上二者波形的对比分析可以知道，脉搏信号幅值变化趋势与心电图信号变化趋势相同，脉搏信号波峰出现时间滞后于脉搏信号R波，因此通过脉搏信号提取到心电数据与心电图中获取到的心率数据相同。脉搏测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点^[7]。

1、心电ECG

在医疗领域，通常使用心电图ECG，测量生理电信号来实现心率和心脏活动的检测。但是由于测量ECG信号，常常在身体多个部位连接传感器电极，在胸部和四肢之间最多可以连十个电极。ECG信号虽然精准并且信息丰富，但是考虑到穿戴设备的便携性和功能简单所以没有在穿戴设计上广泛使用ECG技术^[8]。

2、光电容积法^[9]

其基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长（500nm~700nm）的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。这种技术目前被广泛应用，目前市场上能看到的采用这种技术的穿戴设备就有：AppleWatch、三星 Galaxy Gear S2、Moto360等。

3、生物阻抗传感器测量法^[10]

目前市场上看到的好像只有Jawbone的UP3了，它可以通过生物机体自身的阻抗来实现血液流动检测，并转化为具体的心率，呼吸率及皮电反应指数，是一种更先进的综合生物传感器，准确性也相对较高。2017年12月20日，Silicon Labs退出一系列光学生物识别传感器，为各种可穿戴健身和健康产品提供心率监测和心电图功能，由于刚出不久，现在还未大量投入使用，但是这是可穿戴设备心率监测的一个重大走向。

4、摄像头Camera RGB、WIFI

Camera RGB和WIFI都是MIT研究出来的新技术，camera是通过我们手机的摄像头就能检测人体的体征变化，就是通过手指紧贴手机摄像头，感光元件能捕捉到透过皮肤与毛细血管折射的由补光灯产生的光线，这样毛细血管的搏动就能通过画面明度的周期性变化反映出来。其最初的原理也是光电容积法测心率^[11]。

五、总结

现阶段下，小型化，家庭化医疗仪器的快速发展是趋势，原因是其单个价值低，操作低风险，一般多用于信息的采集和诊断，治疗用途比较少。但是由于医学与计算机本是两门单独的学科，而在医疗电子设备中就必须要将二者结合起来，二者信息的交互，翻译直至最后实践的过程中，都会遇到很多问题，比如一流临床医师对于现代医疗信息化，数字化方面能够起到的影响还比较小。对于便携式健康检测仪的应用方面，不仅仅要提高硬件的精确度，也要研究相关体征算法问题，这不仅需要开发人员具有一定的深度医学知识，还需要他们有计算机和数学方面的知识，才能实现采集到的数据准确具有一定的可信度^[12]。

便携式的健康监护仪未来发展趋势^[13]有：

1、模块化。如今监护仪很多都是针对多参数^[14]的监护，可监测的参数越多，价格也就越高，模块化监护仪，主要应该是能够实现各模块能可插拔的生理参数模块和一台主机构成，即插即用，并且可以灵活方便地组合临床监护参数。

2、信息化。也即能够实现数据采集检测的数据，数据传输与发送，数据存储与分析以及医学检验报告等信息的集成与整合。

3、家庭化。监护仪产品的家庭化符合21世纪人口老龄化，医疗费用日益高涨以及人们对生活健康高质量的要求。

六、参考文献

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