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关于心血管健康监测的可穿戴传感器的挑战与未来展望
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灵活可穿戴传感器的最新突破为连续心血管监测带来了光明的应用前景,特别是在心血管疾病的早期检测和预防方面。通过授权用户健康状况,用户可以主动采取措施改善健康状况。即便如此,仍有许多挑战和机遇。在这里,我们描述了一些技术限制:

1、在运动、长期使用或极端条件下,信号会变差

大多数设备需要与皮肤接触,以实现可靠的信号记录。例如,心电图传感器需要与皮肤密切接触,以最大限度地降低接触阻抗和噪声。机械传感器需要与皮肤密切接触,以检测动脉或心脏的轻微振动。特别是,基于眼压测量的机电传感器也需要外部压力。在光电传感器的情况下,接触不良不仅会产生运动错觉,还会引起光干扰。然而,在运动过程中,由于皮肤和装置的杨氏模量不匹配,以及它们之间的低粘附性,滑动和分离经常发生。为了克服这个问题,提出了自粘超薄传感器,通过范德华力或化学粘附与皮肤的柔顺接触。然而,在长期运动或极端条件下,如水下条件下,附着力的稳定性仍然是一个挑战。仍然需要考虑刺激性和高粘附性之间的平衡。因此,在运动、长期使用或极端条件下可靠地监测未来心血管生命体征的柔性和可穿戴传感器。

2、无线数据传输、信号采集和处理以及供电的局限性

无线数据通信提高了超越临床或固定位置的实时监控能力和便携性。然而,通信模块是能量密集型的。例如,目前的蓝牙技术通常消耗5mW功率,即使是低功率的小蓝牙,也至少需要1mW这超过了当前大多数薄膜电池的功率(1)mW)。因此,系统需要额外的能量储存。为了解决这一限制,纳米发电机被用来收集日常生活中的生物力学能量,并建议为这些传感器提供动力。然而,这种能量仍然不足以为整个系统提供动力。另一种选择是使用基于感应共振能量转移的无线充电或供电技术。特别是,因为NFC天线具有供电和数据通信的双重功能,不依赖外部电池,因此得到了广泛的开发和利用。尽管如此,传输距离和采样频率有限。此外,信号采集和处理模块和无线数据传输通常基于商业刚性IC芯片使整个系统体积大,灵活性差。因此,在未来用于心血管生命体征监测的灵活可穿戴生物医学传感器中,需要探索更先进的信号采集、信号处理、数据传输和供电策略。

3、医学诊断的局限性

虽然柔性可穿戴生物传感器已广泛应用于心血管生命体征监测,但基于大数据和深度学习的诊断能力尚未得到充分发展。例如,大多数现有的生物电或机电传感器只显示ECG信号或HR参数,没有专业的医学解释,对用户来说毫无意义,远离临床医生对心脏病的医学诊断。期望提取更深入的参数,如心率变异性、心输出等相关参数,可导致高精度的综合医学诊断。因此,具有多种心血管生命体征监测功能和集成人工智能算法的灵活可穿戴传感器有望实现准确、全面的诊断。

与用于预测或诊断心血管疾病的传统刚性传感器不同,柔性传感器在便携性、舒适性、低成本、使用方便等方面具有无可比拟的优势,非常适合可穿戴心血管生命体征的监测。在本次综述中,我们展示和讨论了先进的柔性可穿戴传感器,用于无创实时监测心血管生命体征,包括心率、血压、血氧饱和度和血糖,重点是有效获取与心血管疾病相关的可靠生物信号的材料、机制和设备配置。我们希望本次综述能让读者了解先进的柔性功能材料、基本的传感原理和这些传感器的结构。我们相信,随着柔性传感器、物联网、供电设备、数据通信技术等相关技术的进一步完善,可穿戴生物医学系统在心血管生命体征监测和治疗心血管疾病方面将有很大的发展前景,提供个性化的医疗保健。

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