火视109|医疗诊断中即时检测的热门技术

原创 2016-01-05 火石火石创造

本文由火石编译整理

试想这样一幕，你衣服口袋里的手机贴着皮肤发出一个微弱的感应电流，你的手就会非常神奇地变成一把全能钥匙：当你摸到汽车时，车门就会自动打开；握住鼠标时，个人电脑就会自动开启......

听起来似乎在科幻片里才能出现的场景，德国ImCoSys公司通过智能手机来实现的人体局域网技术却能将这样匪夷所思的事情变成现实。不过，这些设想梦想成真尚需要研发与BAN（Body Area Network，人体域网）计划相配套的智能手机。

Body Area Network（人体无线局域网，BAN），又称Wireless Body Area Network（无线体域网）或者Body Sensor Network（身体传感网络）。人体域网是指能把人身上佩带的各种小型电器和通信设备连接起来的网络。是以人体周围的设备例如随身携带的手表、传感器、手机以及人体内部植入的设备等为对象的无线通信专用系统。这是一种可穿戴的计算装置，能够创建起一个无线交流联接，以植入人体，或者固定于体表皮肤的形式和其他设备一同发挥作用。它还能被握在手里，置于衣服口袋里，或者包里等。

BAN技术起源于1995年，当时，人们希望通过无线个人通讯网来实现人体的内部交流。大约在6年后，BAN作为一个新术语出现，意思为人体内部、外部的交流。

2006年，Guang-Zhong Yang首次在他的出版书籍《人体局域网》中对BAN给出了正式定义：传感网络技术和生物医学工程的自然产物。

近年来，随着微电子技术的发展，可穿戴、可植入、可侵入的服务于人的健康监护设备已经出现：如穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠品质测量器、睡眠生理检查器、可植入型身份识别组件等。假如没有BAN，这些传感器和促动器则都只能独立工作，要自带各自的通信部件，因此通信资源不能有效利用。

BAN是一个多学科交互领域，现在主要应用于人体健康方面，尤其是对慢性疾病，诸如糖尿病、哮喘、心脏病患者生命体征的有效长期监控。由于许多地区都存在人口老龄化问题，特别是在那些临床医生紧缺的国家，医疗监护扮演的角色将越来越重要。

这种系统可对老年患者身体状况实施持续监测，将信息与远处的医疗服务提供商共享，从而更好地满足用户医疗保健需求。利用这种系统，医疗及老年人监护服务提供商可以为那些患有慢性疾病的老年人提供服务，提高他们的生活质量。

BAN技术被看作是应对医疗保健费用剧增以及医疗服务提供商匮乏的一种解决方案，无线标准组织和IEEE都在研发BAN技术。近几年，无线人体局域网技术的出现解决了偏远地区患者的监护问题。降低医疗成本的现实需求以及随着人们对疾病预防和早期疾病检测关注度的提高，都是BAN不断发展的推动力。如今的BAN技术已然成为医疗保健的新突破口，将医疗保健带入了移动医疗和远程医疗的新时代。

BAN技术将在医疗中得到广泛应用。由于BAN是一些极为小型的无线局域网络，可支持大量的医疗应用，从各种生命体征的追踪到对移植设备工作情况的监控，以及完成高水准的内窥镜检查几乎都有涵盖。

传统的患者监护由许多生理传感器组成。这些传感器连接患者身体和一个安装在附近的专用信号处理单元，周围有许多笨拙不便的连接线。这些连接线限制了患者的活动范围，也影响了他们的舒适性。一些研究报告表明，这些连接线正是医院疾病传染的来源。另外，这些连线的晃动还会对检测结果产生不利影响。随着低功耗、低成本无线连接技术的出现，现在可以实施和部署BAN，成为上述传统技术的一种补充。

传感器网络可以被安装到患者身体表面或者周围，也可以被静态地植入到人体组织中。在计算机的辅助下，能够获取实时健康监控数据，实现对疾病的早期发现。如通过随时测量和反馈患者的生命体征，就能够在患者心脏病发作之前提醒医院；对于糖尿病患者来说，BAN网络还能够根据患者体内胰岛素水平自动调节泵里的胰岛素量。

这些收集来的信号可用于脑电图(EEG)、心电图(EKG)、肌电图(EMG)等。所有传感器将采集到的信息通过无线方式发送给位于患者身上或者床边的一个外部处理器。随后，处理器通过传统数据网络，将这些信息实时地发送给医生使用的设备或者某台指定的服务器。

BAN使用的传感器需要具备哪些要求？

指定其重要生理参数的精度
低功耗信号处理的水平
具备无线连接功能

BAN中使用的传感器主要有两大类，具体使用哪一类取决于其工作模式：

穿戴式BAN所使用的传感器：一般贴在人体表面，或者植入人体浅层，用于短期监测(14天以内)。这些传感器一般都非常昂贵，重量较轻，体积很小，可以实现自由移动式健康监测。医疗提供商利用这些传感器，几乎可以实时地了解患者的健康状况。

植入式BAN使用的传感器：安装在人体较深区域，例如心脏、大脑和脊髓等。它同时拥有主动刺激和生理监测功能，是监测一些慢性疾病的理想选择。到目前为止，这些慢性疾病只能使用药物治疗。植入式BAN治疗的例子包括帕金森病的深度脑刺激、慢性疼痛脊髓刺激，以及尿失禁膀胱刺激等。

BAN在国际上已经得到了广泛研究，但目前仍处在早期阶段，并面对着一系列的挑战：

安全：首先要保证某个患者的数据确实是来自他自己的BAN系统，不发生混淆，其次来自BAN系统的数据访问途径必须受限制且安全。数据应具有机密性、真实性、完整性和新鲜性。
互操作性：系统需要能和蓝牙、无线个域网进行无缝数据的传输，通过它们来保证和随插随用设备之间的互动，从而促进信息交流。
系统工具：BAN的传感器必须外形小巧、简明易用、重量轻便、节能省电，之后的存储设备应该加强其远程存储和远程观察患者数据的功能，同时保证上述功能能够进行外部处理或者通过互联网分析工具进行处理。
数据连贯性：数据分布于多个移动设备上，无线患者记录应当以一种无缝的方式集成、分析。
费用：BAN需要以最优的价格吸引那些关注健康的消费者。
持续监控：用户可能会提出不同程度的监控要求。

这种技术一旦被接纳采用，并克服以上种种挑战，将在医疗保健方面取得重大突破和广泛应用，因此具有非常广阔的前景。

【火视观点】

美国的临终关怀提供机构呈逐年上涨的趋势，从1974年的第一家临终关怀机构成立到2009年扩展到5000家（数据来源NHPCO，2013），美国临终关怀机构的数量攀升得极其快速。

人体域网的快速发展正在改变着健康数据的采集方式及整个行业的发展及格局，但是其发展的前提在于生物传感器的突破。

生物传感器：与生物活性材料组合的传感器。可以是多种类型的物理或化学传感器，如电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。所有这些具有生物识别功能的组合体通称为生物传感器。生物传感器的应用范围已经涉及医疗诊断、食品毒性检测、农业检测、工业过程控制和环境污染控制等方面。其中，医疗诊断是目前最流行的应用领域，而医疗诊断中即时检测是生物传感器应用的热门。

未来6年，全球生物传感器（biosensor）市场将经历快速增长，该市场在2014年市值为129亿美元，到2020年将有望达到225亿美元，复合年增长率（CAGR）为9.7%。亚太地区由于医疗保险普及率的不断扩大、人口基数增长以及卫生保健系统的不断升级，将成为增长最快的地区。

国内外生物传感器研究公司举例：

名称	地区	简介
Nanōmix	美国	领先的电子检测公司，生产基于Sensation™技术检测设备。使用超敏感的碳纳米管检测技术结合专有的应用在化学元素。他们可以应用在呼吸监测，特点为：低功耗、体积小、超灵敏度。
VALENCELL	美国	该公司主要研发生物数据传感器，2006年成立于美国北卡莱纳州。他们的产品包括三个新元素：传感器模块设计、单一的提取技术、生理评估。其主要产品是PerformTek。PerformTek的功能涵盖：心率监测和心率恢复，摄卡路里/能量消耗、距离、速度、节奏、步伐以及锻炼跟踪，结合选择锻炼计划和指导。该公司确信他们的产品不只局限于健身，将来还会涉足医疗甚至军工领域。 Valencell的传感器目前应用于LG心率耳机，iriverON的个人培训耳机，Rhythm+一个可穿戴的心率检测仪等。
OPTOI	意大利	该公司是有20年历史的意大利公司。他们最初专注于电子包装，现在他们设计和研发应用于工业、环境、生物医学、电信和航空航天领域的硅传感器。OPTOI目前有四种类型的传感器：光学、反射、化学MEMS以及磁传感器。许多光传感器被用在条形码扫描和运动控制系统，他们的发射传感器被应用于自动交易系统和医疗条形码扫描仪。他的合作伙伴Bellini将花费一年的时间检测冰山的变化，检测冰如何变成冰山，冰山又如何变成水。OPTOI将为Bellini提供传感器以检测环境变化和生物识别。
BOSCH	德国	该公司至今已经出售了超过40亿个MEMS传感器。BOSCH的传感器应用包括：3轴式加速(3-axisacceleration)、陀螺仪和地磁传感器。该公司还开发了6轴式(6-axis)传感器应用在电子罗盘，同时9轴传感器应用在绝对定向传感器。他们的产品广泛地被应用在手机、平板等设备中。 BOSCH日前推出了第一款功耗在1mA以下的惯性测量单元(IMU)，该实时监测的应用能有效地提高手机、平板、穿戴设备中精确度。
北京怡成生物电子技术有限公司	北京	北京怡成生物电子技术有限公司成立于1993年，在中国的电化学快速检测领域，北京怡成生物电子技术有限公司是最早涉足也是目前最大的产品供应商。在2004年，北京怡成生物电子技术有限公司以自身的实力赢得了国家“863”计划的鼎力支持。
上海新立医疗器械有限公司	上海	上海新立医疗器械有限公司是由浙江国光投资集团有限公司与上海新立工业微生物科技有限公司投资合作而组建的有限责任公司，成立于2002年6月12日，注册资金500万元人民币。专门从事家用医疗保健产品、家用生物电子医疗检测仪器、生物传感器产品的研发和生产销售。
三诺生物传感技术有限公司	长沙	长沙三诺生物传感技术有限公司，该公司主要从事生物传感技术及产品、医疗器械、保健产品的研究和开发；自测用血糖监测系统的研究、开发、生产和销售。