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【无感人体传感】“非接触”改变医疗保健

  • 2020-09-04 20:25:29
  • 来源:互联网
  • 作者:佚名
  • 栏目:保健
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医疗保健即将步入新时代,因为与此前截然不同的技术的开发变得活跃起来。那就是利用电子技术、无需接触人体或承受疼痛即可测量人体信息的技术。

人体信息测量的形态将随着电子技术的应用而发生巨变。以前的人体信息测量一般要固定患者的体位、在身体上粘贴电极,会给患者造成疼痛或不适感。大部分读者应该都有过在胳膊上缠上压迫带量血压、或是在身上贴上电极测量心电图的经历。像笔者这样,对用压迫带缠住胳膊和在身上贴电极感到紧张的人应该不在少数。

而现在,“非接触”、“非侵袭*”测量人体信息的技术的开发迅速活跃起来(图1)。被测者(患者)几乎感觉不到正在进行测量,因此能消除患者测量时的心理压力。

图1:应用电子技术,步入“非接触”、“非侵袭”时代以前测量人体信息时要经历“束缚”、“贴电极”、“压迫”等状态,而最近,实现“非接触”、“非侵袭”的技术开发事例相继出现。

*非侵袭是指,不会造成疼痛和痛苦等。

例如,在2012年11月于德国举行的世界最大规模医疗器械展“MEDICA 2012”上,日本大学展示了只需用手指接触即可测量血压的技术,受到了与会者的极大关注。

2013年3月,在“第77届日本循环器官学会学术集会”上,丰田与电装、日本医科大学共同展示了利用汽车方向盘推测驾驶员血压的技术。丰田表示,“如果是每天都开车的人,只需和平常一样握住方向盘即可测量每天的血压、进行管理”。

此外,富士通研究所2013年3月宣布开发出了通过面部视频实时测量脉搏的技术。为个人电脑的显示器装上网络摄像头、再安装所需软件,“只需在办公室用电脑正常工作,就能监控脉搏的变化”。以上这些还只是非接触、非侵袭测量人体信息开发示例的一小部分。

开拓新市场

非接触、非侵袭地测量人体信息的优点不仅仅是能消除患者的痛苦和不适感,还有能为儿童、老年人以及因疾病等难以固定或约束的患者进行测量。而且,易于实现长期(连续的)监控,因此还能用于疾病征兆的确认和老年人看护等用途(图2)。

图2:“非接触”、“非侵袭”的优点实现“非接触”、“非侵袭”地测量人体信息的优点包括,可消除被测者的痛苦和不适感、扩大测量对象、实现长期(连续)监控,等等。

也就是说,能用于与此前不同的患者和使用场景,有望开拓新的市场。可以说,开发非接触、非侵袭测量技术不是为了替代原来的测量技术,而是要开拓全新的医疗健康市场。

欧姆龙健康医疗于2012年5月推出的“欧姆龙睡眠仪HSL-101”称得上是非接触测量人体信息的领军产品。睡觉时,只需将该产品设置在人体周围1.5m内的床边即可测量呼吸等,从而判断睡眠状态。其原理是,向睡着的人的胸部等部位照射10.5GHz的电波,通过反射波和入射波的相位差检测呼吸等。该产品采用了爱尔兰风险企业BiancaMed的技术。

此前在测量睡眠状态时,采用的方法有多导睡眠图检查(PSG检查)等,但这些方法需要把电极等贴在身体各处,十分麻烦。欧姆龙健康医疗学术技术部技术探索组主任堤正和表示,“PSG检查会让被测者意识到自己正在处于测量之中,反而更睡不着了。我们想开拓测量自然睡眠状态的市场”。HSL-101上市已经一年多,“销售情况非常好,超出了当初的目标。注重健康的40多岁和50多岁的男性用户比预想的要多”。这是利用非接触的特点开拓新市场的一个很好的案例。

技术开发聚焦于“心跳”测量

下面介绍一下以开拓新的医疗健康市场为目标推进开发的非接触、非侵袭地测量人体信息的技术。不过,人体信息的范围很广。从现在的开发事例来看,大多数产品的主要测量对象是心率和脉率注1)。因为通过心率可以看出很多问题,心率是重要的人体信息之一。比如,可以通过心率推测心理压力的程度和血压等。

注1)心率是每分钟心脏跳动的次数,脉率是手脚动脉每分钟跳动的次数。健康的人的心率和脉率一致。

众所周知,心理压力的程度可以根据心跳间隔推测出来。心跳间隔很规则,说明人处于放松状态,而心跳间隔越不规则,说明压力越大。根据这一规律,利用前面提到的富士通研究所的脉搏测量技术,“只需在办公室正常利用电脑工作,即可监控心理压力的状态”,能实现更有意义的系统。

另外,前面提到的日本大学和丰田等开发的技术都是在测量脉搏后,利用脉搏数据计算血压(图3)。丰田是“结合脉搏的传播时间和多种数据库实现了血压推测”,而日本大学工学部教授尾股定夫表示,“我们不是通过传播时间获得血压数据,而是确立了可通过一个脉搏波形直接计算出血压的算法”,虽然双方采用的方法不同,但将脉搏数据转换成血压这一点是相同的。

图3:根据脉搏计算血压日本大学和丰田等各自开发出了根据非侵袭方式获得的脉搏数据计算血压的技术(a、b)。都是利用LED光获得脉搏数据。

也就是说,只要能以非接触、非侵袭的方式测出心跳和脉搏,就有望以非接触、非侵袭方法掌握心理压力情况和血压。此前,心率一般通过心电图(ECG,electrocardiogram)等测量。那么,为实现非接触、非侵袭测量心率和脉率,现在正在开发哪些技术呢?根据所利用的技术的种类,主要可分成五种,分别是(1)LED、(2)图像处理、(3)加速度传感器、(4)电磁波、(5)光纤。

以非接触、非侵袭方式测量心率采用的技术分为(1)LED、(2)图像处理、(3)加速度传感器、(4)电磁波、(5)光纤五类。下面就一一加以说明。

实现单芯片化(1)利用LED测量心跳和脉搏的方法得到了日本大学和丰田等的采用。如图3所示,这种方法是在手指等触碰的部分,配置使用LED的发光模块和使用光电晶体管等的受光模块,利用血液中的血红蛋白容易吸收绿色等特定波长的光的特性,用LED照射手指,利用其反射光来检测脉搏。这种方法的应用比较广泛,新日本无线已于2013年6月开始销售将绿色LED和光电晶体管集成在一个封装内的通用脉搏传感器。 另外,日本大学表示,在利用LED测量脉搏的方法中组合使用了该大学的尾股教授开发的“相移法”技术。日本大学没有公开具体的机制,不过尾股教授强调,“利用相移法可大幅提高信噪比,所以能获得精度极高的脉搏波形。正因为如此才能把脉搏转换成血压”。 自从在MEDICA 2012上展出后,全球各地的企业等纷纷对相移法提出咨询。尾股教授最近成功地在一枚芯片上集成了含有相移法数据处理的核心部分,他表示,芯片尺寸目前为1cm2见方,不过“数mm见方的小型化也已经有了眉目。届时就能安装到便携终端,因此有望实现利用智能手机配备的用作闪光灯的LED,用智能手机测量脉搏和血压的方式”。日本大学打算在2013年内与合作伙伴合作推出该芯片。

无需新硬件

富士通研究所开发出了(2)利用图像处理测量心跳和脉搏的技术,该技术是通过分析面部视频的颜色成分来检测脉搏(图4)。

图4:仅拍摄面部即可计算出脉率本图为富士通研究所开发的根据面部视频测量脉搏的技术的测量原理。将面部颜色分为RGB成分,根据绿色的亮度变化计算脉率。(图由《日经电子》根据富士通研究所的资料制作)

具体而言,富士通研究所也是利用血红蛋白容易吸收绿色光的特性,通过捕捉面部表面绿色成分的亮度变化来检测脉搏。首先,根据拍摄的面部视频,按帧将图像分成RGB颜色成分并计算出各自的平均亮度,然后从中去除各颜色共同的噪声,仅提取绿色成分的亮度波形。拍摄视频后最短只需5秒即可测出脉搏。

这种方式所需的视频分辨率大约为VGA,帧频只需20帧/秒左右。因此,使用市面上销售的网络摄像头或智能手机配备的摄像头就足够。“无需准备新的硬件。实用化时设想的使用方式就是只需将图像处理软件作为应用安装到个人电脑和智能手机上即可”(富士通研究所人本计算研究所人类解决方案研究部主任研究员猪又明大)。计划2013年内实现实用化。

除此之外,微软在2013年6月于美国洛杉矶举行的“Electronic Entertainment Expo(E3)”上,利用与该公司的新一代台式游戏机“Xbox One”配套销售的手势输入控制器“Kinect”,进行了测量脉搏的演示。估计这也是利用图像处理的技术。

着眼于心冲击图

(3)为利用加速度传感器的技术,开发出心跳测量技术的是村田制作所。该公司在2013年4月举行的展会“MEDTEC 2013”上,进行了只需站在体重计型装置或躺在床上即可测量心率的演示(图5)。这项测量技术的着眼点是心冲击图(BCG,ballistocardiogram)。

图5:只需站在“体重计”上即可测量心率村田制作所开发的心率测量技术的特点是,只需站在“体重计”上即可测量(a)。利用倾斜传感器检测心冲击图“BCG”的原理(b)。该公司预定向设备厂商供货配备该传感器的模块(c)。(图:(b)和(c)由《日经电子》根据村田制作所的资料制作)

心冲击图是指,伴随心脏的物理运动而产生的微弱体动。如图5(b)所示,与心脏的电气运动——心电图相比,心冲击图的峰值稍晚一些出现。利用体重计型装置或床上配备的加速度传感器检测这一动作,进而就能得到心率。

据村田制作所传感器事业部第2传感器商品部FAE课木村正幸介绍,由于BCG是极其微弱的动作,因此采用了“精度是普通加速度传感器约50倍”的传感器。可以检测加速度为0.001G的微弱振动。村田制作所称之为倾斜传感器,由其2012年1月收购的VTI Technologies公司(现为Murata Electronics公司)制造,是用于铲车等建筑机械、医疗设备及飞机用测量系统等的传感器。

在展会上,村田制作所还公开了根据测量的心跳间隔提示心理压力程度的演示。该公司打算向设备厂商等供货配备倾斜传感器的模块,计划2013年内与设备厂商共同推进实证试验,2014年实现实用化。

选择可与移动通信共用的2.4GHz频带

(4)为利用电磁波测量心率的技术,欧姆龙健康医疗的睡眠仪就属于其中之一。该公司的堤正和表示,“目前市场上的产品只是观察与睡眠有关的呼吸的情况,并不能测出心跳,不过,如果导入可补偿人体动作的滤波处理以及噪声去除等技术,技术上来说也能用来测量心跳”。心跳的动作比呼吸和体动等还要小,因此如果能去除这些噪声成分,或提高测量精度,就能以相同的技术实现心跳测量。

向人的胸部等发送电磁波,根据反射波和入射波之间的相位差检测体表动作——着眼于这一原理的不仅仅是欧姆龙健康医疗。阿尔卑斯电气开发的“RF运动传感器”就是利用2.4GHz频带的电磁波测量心跳等(图6)。该传感器没有内置天线,而是另行准备。该公司技术本部H计划第1部部门经理佐藤茂介绍说,“现在正在根据设备厂商等的评价进行改善。将研究应该追求何种程度的精度”。计划2014年开始量产。

图6:利用2.4GHz无线电波测量心跳和呼吸阿尔卑斯电气开发出了利用2.4GHz无线电波非接触测量心跳和呼吸的技术(a)。在该公司开发的“RF运动传感器”上组合使用天线(b)。

之所以选择2.4GHz频带,是为了兼顾人体信息的测量和测量数据的通信。欧姆龙健康医疗开发出了把向人体发送的检测电磁波用作数据通信波的试制品。

凭借10.5GHz频带和MIMO提高精度

九州大学开发出了利用10.5GHz频带电磁波测量心跳的技术(图7)。选择10.5GHz是“因为其波长比2.4GHz短,在小型化和分辨率(精度)方面占优势”(九州大学的间濑)。

图7:利用10.5GHz无线电波测量驾驶员的心跳和心理压力状态九州大学开发出了利用10.5GHz无线电波非接触测量驾驶员的心跳和心理压力状态的技术(a)。(b)为利用该技术和ECG分别测出的心跳变化指标(判断压力状态的指标)。(图(b)由《日经电子》根据九州大学的资料制作)

该技术原本是为了测量驾驶员的心理压力状态等而与汽车厂商共同开展的研究。计算心理压力状态要求有精度更高的心跳数据。因此,除了采用10.5GHz频率以外,还通过测量驾驶中动作较少的左腿大腿部位、而不是受呼吸动作影响较大的胸部,以及开发自主算法等,提高了精度(图7(b))。

另外,岩手大学利用以多条天线实现高速数据传输的MIMO,开展了进一步提高灵敏度的研究(图8)。在各使用两通道进行数据收发的试验中,呼吸成分的频率检测灵敏度比单通道时提高了8.3dB。关于MIMO的利用,阿尔卑斯电气也表示,“虽然存在尺寸变大的缺点,但为了提高精度,可能会考虑采用”。

图8:利用MIMO提高检测灵敏度在利用无线电波非接触测量心跳和呼吸的技术方面,岩手大学开发出了利用MIMO提高检测灵敏度的技术(a)。该大学的试验显示,呼吸频率的检测灵敏度提高了8.3dB(b)。(图(b)由《日经电子》根据岩手大学的资料制作)

采用光纤作为传感器

(5)为利用光纤测量心跳的技术。创价大学工学部教授渡边一弘开发除了“异质核心型”光纤(图9)。

图9:利用光纤测量心跳和呼吸创价大学开发出了将“异质核心型”光纤作为传感器使用的心跳和呼吸测量技术(a)。(b)为在寝具中缝入该光纤,测量睡眠时的呼吸等的情形。(图(a)由《日经电子》根据创价大学的资料制作)

异质核心型光纤是在部分光波导插入纤芯直径不同的部分。在直径不同的位置,光的传输会变得不稳定,因此,从外部触碰光纤的话,传输的光量会发生变化。如果能在光纤顶端用光电二极管检测出这一变化,就可以作为传感器使用。

例如,将这种光纤缝入衣服和寝具中,就能检测出身体动作。渡边表示,“具备测量心跳的精度”。

下一个测量对象是血液?

利用(1)~(5)技术的心跳测量技术今后会越来越多地得到采用。另外,还有观点认为,“将来如果能以非接触、非侵袭方式测量血液,医疗健康领域会掀起一场更大的革命”(Aquavit代表董事、首席商务策划师田中荣)。例如,东京大学生产技术研究所等开发出了把光的强度会随血糖值变化的传感器植入小鼠耳内、通过从体外照射光来测量血糖值的技术(图10)。今后,这些技术的扩展技术将得到进一步开发。(记者:小谷 卓也,《日经电子》兼数字健康Online)

图10:根据萤光强度掌握血糖值东京大学生产技术研究所等开发出了把光的强度会随血糖值变化的传感器植入小鼠耳内,从而测量血糖值的技术。

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