高端医疗器械展|一文读懂可穿戴健康监测产品及其传感器，值得收藏！

2024-07-19

00 前言

随着科技的飞速发展，可穿戴设备已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。这些小巧轻便的设备不仅能够提供便捷的信息获取方式，更在健康监测领域展现出了巨大的潜力。本文主要探讨可穿戴设备在血压检测、血糖检测、压力检测以及睡眠质量检测等方面的监测原理，以及相关的传感器技术。

01 健康监测设备里的主要监测信号

目前常见的健康监测设备常见的形态包括手环、手表、指环、贴片等等。这些可穿戴设备主要通过集成多种传感器，能够监测心率、血压、血氧饱和度、睡眠质量、压力水平等生理参数。这些数据对于预防疾病、管理慢性疾病、伴随治疗以及提升生活质量都具有重要意义。常见的主要监测信号包括：心率、血氧、血压、血糖、睡眠质量、温度、压力等。

图片来源：居家自测Diagnosis

02 不同生理信号的探测原理

心率监测原理

目前来说，心率监测原理有三种：

光电反/透射测量法：通过LED光源发出一束光打穿透皮肤照射至血管处，测量反射/透射的光信号。因为血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时，该波长都会被大量吸收，以此就可以确定心跳。

图片来源：居家自测Diagnosis

心电信号测量法：通过测量心肌收缩的电信号来判断使用者的心率情况，原理和心电图类似。

电脉冲测量法：因为每次心跳都会引起身体的震动，通过高精度的传感器捕捉这种震动，再经过信号处理就可以得到心跳。

其中健康手环中基于第一种光电反射式的方法的产品比较多。其主要依靠一个LED光源和光电探测器组成的光电容积描记术 (PPG) 传感器，基于第二原理可以得到更高精度心率信息，对应心电图（ECG）传感器。PPG这是一种在可穿戴设备行业测量心率的常用传感器技术。简单来说，PPG 传感器通过向手腕皮肤直接发射光线，然后测量血液流动反射或散射的光量来估算心率。PPG 传感器收集的原始数据随后由专为算法进行解读，并在此过程中转化为准确的心率估计值。这需要去除任何会影响数据从而无法提供准确测量结果的 “噪音”。

图片来源：基于PPG的高准确率低功耗心率监测模块设计_邱慧

典型的反射式PPG传感器原理

图片来源：https://support.coros.com/hc/en-us/articles/4406604073108-How-do-COROS-watches-measure-heart-rate

2. 血氧监测

很多朋友最初接触到血氧监测应该是在疫情阶段，血氧监测的原理简单来说可以归纳为两句话：

1）血红蛋白 (Hb) 会吸收光线。吸收的光量与血液中 Hb 的浓度成正比。

2）富氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对不同波段光的吸收不同

图片来源：https://www.howequipmentworks.com/pulse_oximeter/

血氧监测的实现同样可以通过PPG传感器得以实现。通过PPG传感器的心率监测过程，血氧信号也会同步根据心脏的跳动而脉动。因此，通过信号处理分析提取血液脉冲成分（AC信号），并忽略所有非血液信号（DC信号），并结合外部电路、算法处理可得到血氧信息。

图片来源：基于物联网的可穿戴式心率、血氧监测系统

3.血压监测

基于手表、指环这一类小型消费级可穿戴式血压测量设备在技术实现上是有一定难度的，与传统的袖带式血压测量设备相比，测量信号的准确性是一大性能挑战。

传统的袖带式血压测量设备的测量原理均为“示波法”(又称振荡法)。在袖带放气过程中,通过脉搏波的幅值关系找到对应压力信号,对应的压力值就是需要测量的血压值。基于手表这类的血压监测，也可以类似示波法的方式实现测量，依靠手腕上的微气囊(袖带)测压,与上臂袖带示波法的测量模式和原理相同，但是由于其产品形态本身的限制，测量准确性较传统臂式测量设备较低。

图片来源：智能可穿戴设备在中青年血压管理中应用中国专家共识10.16439/j.issn.1673-7245.2022.08.005

还有一类可穿戴的血压测量设备是无袖带血压测量的移动设备，其主要通过光电容积、心电图估算血压值和手指红外感应、超声等原理获得血压值的,其测量的精度与可靠性有待考证。

图片来源：规范智能可穿戴设备对血压的测量

基于无袖带式的血压测量设备的原理较多，其中一个实现方案是结合心电图和PPG传感器的脉搏波传导时间法，脉搏波从心脏传导至PPG信号测试点的时间差,称PTT的血压测量模型,通常使用心电图作为PTT的起点,指尖记录的PPG信号作为PTT终点。通过识别心电图和PPG主波峰的信号得到两个主波峰的时间间隔。运用线性回归方程校正系数计算出收缩压,因需要随着人体活动不断对模型进行校准,计算舒张压的性能较差。

此外还有脉搏波特征参数法，即通过建立脉搏波特征参数与血压的关系推导出血压特征参数方程实现血压测量,此方法对PPG信号完整程度要求高。

图片来源：https://conicear.best/product_details/66481975.html

4. 血糖监测

在智能穿戴领域，血糖监测功能一直备受各大厂商关注。苹果目前在无创血糖监测技术取得突破性进展，将在Apple Watch上搭载该功能。据了解，这个项目被称为E5，研究的主要目标就是在不刺破皮肤取血的情况下，测量人体血液中葡萄糖含量。

苹果无创血糖关联专利，图片来源：https://appleinsider.com/articles/18/08/23/apple-patent-suggests-work-on-non-invasive-glucose-monitoring-tech

知情人士称，血糖监测系统将依赖苹果设计的硅光芯片和传感器，苹果开发的这种硅光子芯片，通过收集激光照射到皮肤后传回的光学吸收光谱，来确定体内的葡萄糖浓度。血氧检测按照创口类型可以分为有创测量、无创测量、微创测量。

图片来源：《光学无创测量血糖新技术》

传统的有创血糖监测是基于电化学原理的有创血糖测量，即基于电流计和电压计原理。此外还可基于光传感器原理进行测量，光学葡萄糖传感器使用一种凝血素物质和荧光试剂来探测不同浓度的溶液。这类检测都需要扎手指，病人的用户体验感差，因此后来微创测量技术逐渐兴起。

图片来源：《光学无创测量血糖新技术》

微创式血糖测量包括针刺式和激光采血式。针刺式采用皮下传感器原理，激光式使用激光取代穿透微针头实现取血，减少了针头接触带来的交互感染的发生，疼痛较轻。

图片来源：https://innoacademy.engg.hku.hk/glucose-biosensor/

近年来无创血糖测量技术也在不断突破，无创血糖可以分为直接测量和间接测量，前者基于葡萄糖分子结构，后者监测葡萄糖对第二过程比如PH的影响。但是由于间接测量在实现上实质是通过体液葡萄糖含量推测血液葡萄糖含量，其并不能建立较好的一一对应关系致使检测结果有时不能准确体现病理变化，因此真正有病理意义的还是直接测量。在《光学无创测量血糖新技术》一书中，作者介绍了目前主流的和新兴的无创血糖测量。包括：电阻抗法、吸收光谱法、旋光法、拉曼光谱法。

图片来源：《光学无创测量血糖新技术》

5. 睡眠质量检测

图片来源：https://www.unityhealthnetwork.org/news/ultimate-sleep-tracker-guide-navigating-sleep-health-best-tools

睡眠质量检测是一个多传感+算法融合的过程。可穿戴设备通过内置的加速度传感器和光电传感器来监测用户的睡眠状态。加速度传感器能够获取用户的体动特征，判断用户是否处于睡眠状态；而光电传感器则通过心率、心电信号来分析睡眠质量。不同探测器分别对采集的心电信号和体动信号进行滤波处理与算法分析，获得睡眠时长、体动次数、心率变化等参数。再通过睡眠分期算法的分析，得出用户的睡眠质量报告。

图片来源：Sleep Monitoring Based on a Tri-Axial Accelerometer
and a Pressure Sensor

6. 压力检测

压力检测是评估用户心理状态和生活压力的重要指标。可穿戴设备通常采用心率变异性（HRV）和压力传感器来实现压力检测。HRV传感器通过分析用户心率的变化来评估压力水平，而压力传感器则直接测量用户皮肤表面的压力变化。研究表明，结合这两种传感器技术的可穿戴设备在压力检测方面具有较高的准确性和灵敏度。包括压力监测在内的心理状态检测是十分有意义的，尤其是对于有精神障碍的人来说。

实际上心理压力会根据不同的压力和类型有不同的呈现形式，单一的信号是很难进行全面的监测、分类和判断的，因此对应的传感器类型也有很多。虽然现有产品上的传感器件和监测模式相对单一，但是未来发展趋势一定是会向着更多传感和信息的集成发展。

图片来源：Stress-Lysis: A DNN-Integrated Edge Device for

Stress Level Detection in the IoMT

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的一个研究团队开发了一种智能手表，能够准确、无创、实时地评估汗液中的皮质醇水平。皮质醇是一种类固醇激素，通常被称为“压力激素”，因为它在身体对压力的响应中发挥着关键作用。当身体或心理受到压力时，无论是急性的还是慢性的，肾上腺会释放皮质醇来帮助身体应对压力。皮质醇水平可以为佩戴者提供压力等生化指标的信息。皮质醇非常适合通过汗液进行测量，通过追踪汗液中的皮质醇，将能够以可穿戴的形式监测这种变化，从而分析用户的精神状态。

图片来源：https://newsroom.ucla.edu/releases/cortisol-sensing-smartwatch

03 可穿戴传感器件

由上面的讨论可以看到，虽然现在的很多穿戴式健康监测产品的产品形态比较多（手环、手表、指环、耳机等），可监测的生物体征信号也较多，但是其直接获取的信号的关键传感器数目和种类相对比较局限，因此探测信号的准确度和可信度明显低于专业医疗设备，因此其提供信息只能用于日常健康监测而不可用于强医疗目的的场景。

目前产品里的心率监测、血氧检测、血压检测都借助PPG传感器、ECG传感器得以实现。皮肤温度等可借助温度传感器实现，体动和运动监测可通过加速度传感器实现。

图片来源：https://doi.org/10.1016/j.jacadv.2023.100267

1.PPG传感器

PPG传感器，全称为光电容积脉搏图（Photoplethysmogram）传感器，是一种利用光学原理来监测血管容积变化的生物传感器。集成的PPG传感器由多个发光二极管（LED）和一个光电探测器（PD）组成，其工作原理是光电探测器测量皮肤表面反射光的变化来形成PPG信号。在光源照射下，皮肤内的血液容积会发生三种情况：一定量的光被吸收、一定量的光穿透、一定量的光反射。反射光的强度和采集部位（如腕部或指尖）的血液容量会随着心跳的变化而变化。所测信号可分两种，分别是从皮肤色素沉着，脂肪，肌肉，骨骼等部位吸光度不变的直流成分和从心脏所产生的血容量改变有关的交流成分。探测光照强度与时间关系曲线图称PPG信号， PPG信号各脉冲时间周期受心跳影响，振幅受动脉血液不同成分浓度影响。PPG主要应用于以下信号检测：

心率监测: PPG传感器可以实时监测心率，对于运动训练、健康管理等非常有帮助。
心率变异性（HRV）分析: 通过测量连续心跳间隔的变化，可以评估自主神经系统的活动。
血氧饱和度（SpO2）测量: 结合红光和红外光的PPG传感器可以估算血液中氧气的饱和度。
睡眠监测: 通过监测心率和心率变异性的变化，配合体动检测结果，可以评估睡眠质量和睡眠阶段。

比较有意思的是结合多光谱技术还可以设计多光谱PPG。多波长光电容积脉搏图（MW-PPG）传感技术被认为是优于单波长光电容积脉搏图（SW-PPG）传感技术的。然而，由于传感探测器的可用性限制，许多先前的研究只能使用传统的笨重且昂贵的光谱仪作为探测器，因此无法将MW-PPG技术应用于日常生活。国立台北科技大学的团队开发了一种芯片级的多波长光电容积脉搏图（MW-PPG）传感器，使用了创新的芯片光谱仪，目标是面向可穿戴应用。结合信号处理方法，该设备可用于稳定地提取PPG信号，信噪比（S/N）提高了高达50%，可实现血氧饱和度、血压等多参数的测量。

图片来源：MW-PPG Sensor: An on-Chip Spectrometer Approach

PPG传感器的工艺和材料选择具备较大的多样性，可以不基于传统硅基工艺得以实现，因此具有低成本、多设计自由度等优势。

PPG传感器中涉及的主要材料体系,图片来源：Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors

全球光电容积脉搏图（PPG）生物传感器市场规模在2022年估值为4.168亿美元，并预计从2023年到2030年将以11.6%的复合年增长率增长。

PPG传感器的市场趋势https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ppg-biosensors-market

2.ECG传感器

ECG传感器，即心电图（Electrocardiogram）传感器，是一种用来监测和记录心脏电活动的生物传感器。它能够检测心脏的电信号，并将这些信号转换成图形，以便于分析心脏的健康状况和功能。ECG传感器的工作原理基于心脏细胞的电生理特性。心脏的每一次搏动都是由心肌细胞的电活动引起的。当心肌细胞去极化和复极化时，会产生微小的电信号。ECG传感器通过监测电极检测到由心脏电活动产生的电位差并将信号滤波、放大后结合算法分析得出心率等生理信息。

ECG和PPG虽然都可以获取心脏活动信号，但是其原理不同，ECG主要借助心脏电信号探测，PPG借助光电信号探测。ECG和PPG各有优劣，PPG在形态因素多样性和生物特征多样性方面表现突出。ECG比PPG对于生物电信号的探测速度更快，且不容易收到体表环境和体表差异等因素的影响。因此在心率监测等检测精度上更高。

图片来源：https://www.medicaldesignandoutsourcing.com/sensor-technologies-for-medical-grade-consumer-wearables/

图片来源：https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Difference-between-ECG-sensor-and-PPG-sensor.html

04 健康监测设备的未来发展趋势

图片来源：Sensors2023, 23, 2991. https://doi.org/10.3390/s23062991

随着传感器技术的不断进步和算法的持续优化，可穿戴设备在健康监测领域的应用将越来越广泛。从血压检测、血糖监测到压力评估和睡眠质量分析，可穿戴设备为我们提供了一个全方位、多角度的健康监测解决方案。

可以看到，目前产品中所用到的技术还相对有限，收集的信号也相对单一，产品形态也还有很大改进空间。从技术层面上说健康监测设备涉及到的关键技术包括：传感器技术、无线通信技术、数据分析算法技术。

目前产品上所使用的传感器技术主要是PPG传感器等传统光电技术，相信未来的可穿戴传感器的发展趋势是向着多信号、无创、低能耗、高精度、柔性可拉伸等方向发展。个人认为健康监测设备领域的未来发展趋势主要是以下几个方面：

可穿戴形态的多样化

目前主要的可穿戴监测设备主要还是手表居多，未来这一可穿戴设备的形态将向着更多检测位置、更多结构形态发展，比如以戒指，贴片、耳机等形态发展，乃至和部分饰品进行集成，比如集成于眼镜的和耳朵接触的框架处、女性的发夹上、纹身贴片、隐形眼镜上等。
1. 图片来源：Adv. Electron. Mater. 2024, 2300765
2. 柔性可穿戴

下一代可穿戴式 PPG 系统，迫切需要实现高探测率、快速响应时间和超薄、柔性，可拉伸的器件模组设计，免去笨重电源装置的自供电操作也利于即时检测应用。

柔性可拉伸PPG传感器是一种新型的光电传感器，具有以下优点：

佩戴舒适度高: 柔性材料使其能够贴合皮肤，佩戴舒适，不易引起皮肤不适。
可拉伸性好: 可适应人体皮肤的运动和变形，即使在运动或其他身体活动时也能保持良好的测量精度。
测量精度高: 更好的和皮肤、组织贴合，能够准确测量心率、血氧饱和度等生理参数。
高集成度: 可直接集成到各种可穿戴设备中，例如智能贴片、耳机、指环等，方便用户随时随地进行健康监测。
潜在应用广泛: 除了可穿戴设备之外，还可用于集成到手术器械中进行辅助监测。
图片来源：Lee et al., Sci. Adv. 8, eabm3622 (2022)
图片来源：ACS Nano 2023, 17, 20013-20023

3.体液传感器

可穿戴体液检测器是一种新兴的医疗监测设备，它能够通过分析体液（如汗液、唾液、泪液等）来监测和评估个体的健康状况。这些设备通常集成在可穿戴设备中，如智能手表、健康追踪器、智能服装等，为用户提供实时的健康。常见的体液包括汗液、人体组织液（ISF）、唾液等。这一技术还可以结合POCT等发展，实现把穿戴设备往病理诊断等医疗意义的方面更进一步。
图片来源：Singh, S.U., Chatterjee, S., Lone, S.A. et al. Advanced wearable biosensors for the detection of body fluids and exhaled breath by graphene. Microchim Acta 189, 236 (2022). https://doi.org/10.1007/s00604-022-05317-2
图片来源：https://doi.org/10.1038/s41578-022-00460-x

常见的体液传感器是汗液传感器。可穿戴汗液生物传感器能够实时分析汗液成分，通过汗液中的生物标志物的分析提供有关健康状况的有洞察力的信息。
图片来源：Wearable Sweat Biosensors，2016，IEDM

4. 新型传感器技术

目前可穿戴传感器正向着多样化方向发展，当我们将电化学传感器、力传感器、体液传感器、光电传感器等组合应用后，将会得到更多信息。
图片来源：Sensors 2023, 23, 2991

5. 可摄入生物传感器

从临床意义上说，可穿戴的健康监测设备仅能提供参考信息，不能用于诊断和医疗目的，这是由于可穿戴传感器无法到达体内的一些病变点，不能直接获取疾病关联的直接信息，并且体表可检测的健康指标容易受到干扰。因此可摄入的生物传感器，比图所示的生物传感胶囊（IBC），可以通过胃肠道（GI）接近主要器官，监测广泛的生物标志物，作为有效的临床诊断工具，甚至提供针对性的外科和药物治疗。
参考资料：
1. 智能手环心率监测原理
2. https://support.coros.com/hc/en-us/articles/4406604073108-How-do-COROS-watches-measure-heart-rate
3. https://doi.org/10.1002/aelm.202300765
4. How pulse oximeters work explained simply
5. 规范智能可穿戴设备对血压的测量，10.16439/j.issn.1673-7245.2023.05.001
6. 智能可穿戴设备在中青年血压管理中应用中国专家共识
7. https://www.huxiu.com/article/805112.html
8. 《光学无创测量血糖新技术》
9. https://appleinsider.com/articles/18/08/23/apple-patent-suggests-work-on-non-invasive-glucose-monitoring-tech
10. PERfECT Wearables: for Minimally-Invasive and Continuous Blood-Glucose Monitoring @ 6th Inno Show
11. 基于人体生理信号的睡眠监测系统研究_薛美静
12. https://www.unityhealthnetwork.org/news/ultimate-sleep-tracker-guide-navigating-sleep-health-best-tools
13. https://newsroom.ucla.edu/releases/cortisol-sensing-smartwatch
14. Overview of a Sleep Monitoring Protocol for a Large Natural
  Population
15. 基于物联网的可穿戴式心率、血氧监测系统
16. 基于PPG的高准确率低功耗心率监测模块设计_邱慧
17. Systematic Review on Fabrication, Properties, and Applications of Advanced Materials in Wearable Photoplethysmography Sensors
18. https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ppg-biosensors-market
19. MW-PPG Sensor: An on-Chip Spectrometer Approach
20. ACS Nano 2023, 17, 20013-20023。Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu-In-Se Quantum Dot Photodetectors for
  Wearable Health Monitoring
21. Wearable Sweat Biosensors，2016，IEDM
22. Singh, S.U., Chatterjee, S., Lone, S.A. et al. Advanced wearable biosensors for the detection of body fluids and exhaled breath by graphene. Microchim Acta 189, 236 (2022). https://doi.org/10.1007/s00604-022-05317-2
23. Sensors 2023, 23, 2991
24. Biocompatible and Long-Term Monitoring Strategies of Wearable, Ingestible and Implantable Biosensors: Reform the Next Generation Healthcare
25. https://doi.org/10.1016/j.jacadv.2023.10026
26. Stress-Lysis: A DNN-Integrated Edge Device for Stress Level Detection in the IoMT
  
  https://www.tno.nl/en/newsroom/insights/2023/01/monitoring-your-health-using-light-tno/
  
  Sensor Technologies for Medical-Grade Consumer Wearables
  
  Sensors2023, 23, 2991. https://doi.org/10.3390/s23062991
  
  想了解更多请前往高端医疗器械展
  
  文章来源：居家自测Diagnosis
  
  若涉及侵权，请立刻联系删除
  
  关键字：
  
  可穿戴、传感器