創(chuàng)新醫(yī)療保健 看人體傳感器如何消除痛感 - 全文

　　人體傳感器為醫(yī)療保健開啟新時(shí)代，利用“非接觸”、“非侵襲”式測(cè)量技術(shù)對(duì)人體信息進(jìn)行測(cè)量，會(huì)讓患者免除以前傳統(tǒng)測(cè)量所帶來的疼痛或不適感。自日本大學(xué)展示只需用手指接觸即可測(cè)量血壓的技術(shù)后，歐姆龍、豐田、富士通研究所紛紛研發(fā)無感人體傳感技術(shù)，致力于為新一代醫(yī)療保健保駕護(hù)航。

　　醫(yī)療保健即將步入新時(shí)代，因?yàn)榕c此前截然不同的技術(shù)的開發(fā)變得活躍起來。那就是利用電子技術(shù)、無需接觸人體或承受疼痛即可測(cè)量人體信息的技術(shù)。

　　人體信息測(cè)量的形態(tài)將隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)生巨變。以前的人體信息測(cè)量一般要固定患者的體位、在身體上粘貼電極，會(huì)給患者造成疼痛或不適感。大部分讀者應(yīng)該都有過在胳膊上纏上壓迫帶量血壓、或是在身上貼上電極測(cè)量心電圖的經(jīng)歷。像筆者這樣，對(duì)用壓迫帶纏住胳膊和在身上貼電極感到緊張的人應(yīng)該不在少數(shù)。

　　而現(xiàn)在，“非接觸”、“非侵襲*”測(cè)量人體信息的技術(shù)的開發(fā)迅速活躍起來（圖1）。被測(cè)者（患者）幾乎感覺不到正在進(jìn)行測(cè)量，因此能消除患者測(cè)量時(shí)的心理壓力。

　　圖1：應(yīng)用電子技術(shù)，步入“非接觸”、“非侵襲”時(shí)代

　　以前測(cè)量人體信息時(shí)要經(jīng)歷“束縛”、“貼電極”、“壓迫”等狀態(tài)，而最近，實(shí)現(xiàn)“非接觸”、“非侵襲”的技術(shù)開發(fā)事例相繼出現(xiàn)。注：非侵襲是指，不會(huì)造成疼痛和痛苦等。

　　例如，在2012年11月于德國(guó)舉行的世界最大規(guī)模醫(yī)療器械展“MEDICA 2012”上，日本大學(xué)展示了只需用手指接觸即可測(cè)量血壓的技術(shù)，受到了與會(huì)者的極大關(guān)注。

　　2013年3月，在“第77屆日本循環(huán)器官學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)集會(huì)”上，豐田與電裝、日本醫(yī)科大學(xué)共同展示了利用汽車方向盤推測(cè)駕駛員血壓的技術(shù)。豐田表示，“如果是每天都開車的人，只需和平常一樣握住方向盤即可測(cè)量每天的血壓、進(jìn)行管理”。

　　此外，富士通研究所2013年3月宣布開發(fā)出了通過面部視頻實(shí)時(shí)測(cè)量脈搏的技術(shù)。為個(gè)人電腦的顯示器裝上網(wǎng)絡(luò)攝像頭、再安裝所需軟件，“只需在辦公室用電腦正常工作，就能監(jiān)控脈搏的變化”。以上這些還只是非接觸、非侵襲測(cè)量人體信息開發(fā)示例的一小部分。

　　開拓新市場(chǎng)

　　非接觸、非侵襲地測(cè)量人體信息的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是能消除患者的痛苦和不適感，還有能為兒童、老年人以及因疾病等難以固定或約束的患者進(jìn)行測(cè)量。而且，易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期（連續(xù)的）監(jiān)控，因此還能用于疾病征兆的確認(rèn)和老年人看護(hù)等用途（圖2）。

　　圖2：“非接觸”、“非侵襲”的優(yōu)點(diǎn)

　　實(shí)現(xiàn)“非接觸”、“非侵襲”地測(cè)量人體信息的優(yōu)點(diǎn)包括，可消除被測(cè)者的痛苦和不適感、擴(kuò)大測(cè)量對(duì)象、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期（連續(xù)）監(jiān)控，等等。

　　也就是說，能用于與此前不同的患者和使用場(chǎng)景，有望開拓新的市場(chǎng)。可以說，開發(fā)非接觸、非侵襲測(cè)量技術(shù)不是為了替代原來的測(cè)量技術(shù)，而是要開拓全新的醫(yī)療健康市場(chǎng)。

　　歐姆龍健康醫(yī)療于2012年5月推出的“歐姆龍睡眠儀HSL-101”稱得上是非接觸測(cè)量人體信息的領(lǐng)軍產(chǎn)品。睡覺時(shí)，只需將該產(chǎn)品設(shè)置在人體周圍 1.5m內(nèi)的床邊即可測(cè)量呼吸等，從而判斷睡眠狀態(tài)。其原理是，向睡著的人的胸部等部位照射10.5GHz的電波，通過反射波和入射波的相位差檢測(cè)呼吸等。該產(chǎn)品采用了愛爾蘭風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)BiancaMed的技術(shù)。

　　此前在測(cè)量睡眠狀態(tài)時(shí)，采用的方法有多導(dǎo)睡眠圖檢查（PSG檢查）等，但這些方法需要把電極等貼在身體各處，十分麻煩。歐姆龍健康醫(yī)療學(xué)術(shù)技術(shù)部技術(shù)探索組主任堤正和表示，“PSG檢查會(huì)讓被測(cè)者意識(shí)到自己正在處于測(cè)量之中，反而更睡不著了。我們想開拓測(cè)量自然睡眠狀態(tài)的市場(chǎng)”。HSL-101上市已經(jīng)一年多，“銷售情況非常好，超出了當(dāng)初的目標(biāo)。注重健康的40多歲和50多歲的男性用戶比預(yù)想的要多”。這是利用非接觸的特點(diǎn)開拓新市場(chǎng)的一個(gè)很好的案例。

　　技術(shù)開發(fā)聚焦于“心跳”測(cè)量

　　下面介紹一下以開拓新的醫(yī)療健康市場(chǎng)為目標(biāo)推進(jìn)開發(fā)的非接觸、非侵襲地測(cè)量人體信息的技術(shù)。不過，人體信息的范圍很廣。從現(xiàn)在的開發(fā)事例來看，大多數(shù)產(chǎn)品的主要測(cè)量對(duì)象是心率和脈率注1）。因?yàn)橥ㄟ^心率可以看出很多問題，心率是重要的人體信息之一。比如，可以通過心率推測(cè)心理壓力的程度和血壓等。

　　注1）心率是每分鐘心臟跳動(dòng)的次數(shù)，脈率是手腳動(dòng)脈每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)。健康的人的心率和脈率一致。

　　眾所周知，心理壓力的程度可以根據(jù)心跳間隔推測(cè)出來。心跳間隔很規(guī)則，說明人處于放松狀態(tài)，而心跳間隔越不規(guī)則，說明壓力越大。根據(jù)這一規(guī)律，利用前面提到的富士通研究所的脈搏測(cè)量技術(shù)，“只需在辦公室正常利用電腦工作，即可監(jiān)控心理壓力的狀態(tài)”，能實(shí)現(xiàn)更有意義的系統(tǒng)。

　　另外，前面提到的日本大學(xué)和豐田等開發(fā)的技術(shù)都是在測(cè)量脈搏后，利用脈搏數(shù)據(jù)計(jì)算血壓（圖3）。豐田是“結(jié)合脈搏的傳播時(shí)間和多種數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了血壓推測(cè)”，而日本大學(xué)工學(xué)部教授尾股定夫表示，“我們不是通過傳播時(shí)間獲得血壓數(shù)據(jù)，而是確立了可通過一個(gè)脈搏波形直接計(jì)算出血壓的算法”，雖然雙方采用的方法不同，但將脈搏數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成血壓這一點(diǎn)是相同的。

　　圖3：根據(jù)脈搏計(jì)算血壓

　　日本大學(xué)和豐田等各自開發(fā)出了根據(jù)非侵襲方式獲得的脈搏數(shù)據(jù)計(jì)算血壓的技術(shù)（a、b）。都是利用LED光獲得脈搏數(shù)據(jù)。

　　也就是說，只要能以非接觸、非侵襲的方式測(cè)出心跳和脈搏，就有望以非接觸、非侵襲方法掌握心理壓力情況和血壓。此前，心率一般通過心電圖（ECG，electrocardiogram）等測(cè)量。那么，為實(shí)現(xiàn)非接觸、非侵襲測(cè)量心率和脈率，現(xiàn)在正在開發(fā)哪些技術(shù)呢？根據(jù)所利用的技術(shù)的種類，主要可分成五種，分別是（1）LED、（2）圖像處理、（3）加速度傳感器、（4）電磁波、（5）光纖。下面就一一加以說明。

　　實(shí)現(xiàn)單芯片化

　　（1）利用LED測(cè)量心跳和脈搏的方法得到了日本大學(xué)和豐田等的采用。如圖3所示，這種方法是在手指等觸碰的部分，配置使用LED的發(fā)光模塊和使用光電晶體管等的受光模塊，利用血液中的血紅蛋白容易吸收綠色等特定波長(zhǎng)的光的特性，用LED照射手指，利用其反射光來檢測(cè)脈搏。這種方法的應(yīng)用比較廣泛，新日本無線已于2013年6月開始銷售將綠色LED和光電晶體管集成在一個(gè)封裝內(nèi)的通用脈搏傳感器。

　　另外，日本大學(xué)表示，在利用LED測(cè)量脈搏的方法中組合使用了該大學(xué)的尾股教授開發(fā)的“相移法”技術(shù)。日本大學(xué)沒有公開具體的機(jī)制，不過尾股教授強(qiáng)調(diào)，“利用相移法可大幅提高信噪比，所以能獲得精度極高的脈搏波形。正因?yàn)槿绱瞬拍馨衙}搏轉(zhuǎn)換成血壓”。

　　自從在MEDICA 2012上展出后，全球各地的企業(yè)等紛紛對(duì)相移法提出咨詢。尾股教授最近成功地在一枚芯片上集成了含有相移法數(shù)據(jù)處理的核心部分，他表示，芯片尺寸目前為1cm2見方，不過“數(shù)mm見方的小型化也已經(jīng)有了眉目。屆時(shí)就能安裝到便攜終端，因此有望實(shí)現(xiàn)利用智能手機(jī)配備的用作閃光燈的LED，用智能手機(jī)測(cè)量脈搏和血壓的方式”。日本大學(xué)打算在2013年內(nèi)與合作伙伴合作推出該芯片。

　　無需新硬件

　　富士通研究所開發(fā)出了（2）利用圖像處理測(cè)量心跳和脈搏的技術(shù)，該技術(shù)是通過分析面部視頻的顏色成分來檢測(cè)脈搏（圖4）。

　　圖4：僅拍攝面部即可計(jì)算出脈率

　　本圖為富士通研究所開發(fā)的根據(jù)面部視頻測(cè)量脈搏的技術(shù)的測(cè)量原理。將面部顏色分為RGB成分，根據(jù)綠色的亮度變化計(jì)算脈率。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)富士通研究所的資料制作）

　　具體而言，富士通研究所也是利用血紅蛋白容易吸收綠色光的特性，通過捕捉面部表面綠色成分的亮度變化來檢測(cè)脈搏。首先，根據(jù)拍攝的面部視頻，按幀將圖像分成RGB顏色成分并計(jì)算出各自的平均亮度，然后從中去除各顏色共同的噪聲，僅提取綠色成分的亮度波形。拍攝視頻后最短只需5秒即可測(cè)出脈搏。

　　這種方式所需的視頻分辨率大約為VGA，幀頻只需20幀/秒左右。因此，使用市面上銷售的網(wǎng)絡(luò)攝像頭或智能手機(jī)配備的攝像頭就足夠?！盁o需準(zhǔn)備新的硬件。實(shí)用化時(shí)設(shè)想的使用方式就是只需將圖像處理軟件作為應(yīng)用安裝到個(gè)人電腦和智能手機(jī)上即可”（富士通研究所人本計(jì)算研究所人類解決方案研究部主任研究員豬又明大）。計(jì)劃2013年內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

　　除此之外，微軟在2013年6月于美國(guó)洛杉磯舉行的“Electronic Entertainment Expo（E3）”上，利用與該公司的新一代臺(tái)式游戲機(jī)“Xbox One”配套銷售的手勢(shì)輸入控制器“Kinect”，進(jìn)行了測(cè)量脈搏的演示。估計(jì)這也是利用圖像處理的技術(shù)。

　　著眼于心沖擊圖

　?。?）為利用加速度傳感器的技術(shù)，開發(fā)出心跳測(cè)量技術(shù)的是村田制作所。該公司在2013年4月舉行的展會(huì)“MEDTEC 2013”上，進(jìn)行了只需站在體重計(jì)型裝置或躺在床上即可測(cè)量心率的演示（圖5）。這項(xiàng)測(cè)量技術(shù)的著眼點(diǎn)是心沖擊圖（BCG，ballistocardiogram）。

　　圖5：只需站在“體重計(jì)”上即可測(cè)量心率

　　村田制作所開發(fā)的心率測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)是，只需站在“體重計(jì)”上即可測(cè)量（a）。利用傾斜傳感器檢測(cè)心沖擊圖“BCG”的原理（b）。該公司預(yù)定向設(shè)備廠商供貨配備該傳感器的模塊（c）。

　　心沖擊圖是指，伴隨心臟的物理運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的微弱體動(dòng)。如圖5（b）所示，與心臟的電氣運(yùn)動(dòng)——心電圖相比，心沖擊圖的峰值稍晚一些出現(xiàn)。利用體重計(jì)型裝置或床上配備的加速度傳感器檢測(cè)這一動(dòng)作，進(jìn)而就能得到心率。

　　據(jù)村田制作所傳感器事業(yè)部第2傳感器商品部FAE課木村正幸介紹，由于BCG是極其微弱的動(dòng)作，因此采用了“精度是普通加速度傳感器約50 倍”的傳感器。可以檢測(cè)加速度為0.001G的微弱振動(dòng)。村田制作所稱之為傾斜傳感器，由其2012年1月收購(gòu)的VTI Technologies公司（現(xiàn)為Murata　Electronics公司）制造，是用于鏟車等建筑機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備及飛機(jī)用測(cè)量系統(tǒng)等的傳感器。

　　在展會(huì)上，村田制作所還公開了根據(jù)測(cè)量的心跳間隔提示心理壓力程度的演示。該公司打算向設(shè)備廠商等供貨配備傾斜傳感器的模塊，計(jì)劃2013年內(nèi)與設(shè)備廠商共同推進(jìn)實(shí)證試驗(yàn)，2014年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

　　選擇可與移動(dòng)通信共用的2.4GHz頻帶

　?。?）為利用電磁波測(cè)量心率的技術(shù)，歐姆龍健康醫(yī)療的睡眠儀就屬于其中之一。該公司的堤正和表示，“目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品只是觀察與睡眠有關(guān)的呼吸的情況，并不能測(cè)出心跳，不過，如果導(dǎo)入可補(bǔ)償人體動(dòng)作的濾波處理以及噪聲去除等技術(shù)，技術(shù)上來說也能用來測(cè)量心跳”。心跳的動(dòng)作比呼吸和體動(dòng)等還要小，因此如果能去除這些噪聲成分，或提高測(cè)量精度，就能以相同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)心跳測(cè)量。

　　向人的胸部等發(fā)送電磁波，根據(jù)反射波和入射波之間的相位差檢測(cè)體表動(dòng)作——著眼于這一原理的不僅僅是歐姆龍健康醫(yī)療。阿爾卑斯電氣開發(fā)的 “RF運(yùn)動(dòng)傳感器”就是利用2.4GHz頻帶的電磁波測(cè)量心跳等（圖6）。該傳感器沒有內(nèi)置天線，而是另行準(zhǔn)備。該公司技術(shù)本部H計(jì)劃第1部部門經(jīng)理佐藤茂介紹說，“現(xiàn)在正在根據(jù)設(shè)備廠商等的評(píng)價(jià)進(jìn)行改善。將研究應(yīng)該追求何種程度的精度”。計(jì)劃2014年開始量產(chǎn)。

　　圖6：利用2.4GHz無線電波測(cè)量心跳和呼吸

　　阿爾卑斯電氣開發(fā)出了利用2.4GHz無線電波非接觸測(cè)量心跳和呼吸的技術(shù)（a）。在該公司開發(fā)的“RF運(yùn)動(dòng)傳感器”上組合使用天線（b）。

　　之所以選擇2.4GHz頻帶，是為了兼顧人體信息的測(cè)量和測(cè)量數(shù)據(jù)的通信。歐姆龍健康醫(yī)療開發(fā)出了把向人體發(fā)送的檢測(cè)電磁波用作數(shù)據(jù)通信波的試制品。

　　憑借10.5GHz頻帶和MIMO提高精度

　　九州大學(xué)開發(fā)出了利用10.5GHz頻帶電磁波測(cè)量心跳的技術(shù)（圖7）。選擇10.5GHz是“因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)比2.4GHz短，在小型化和分辨率（精度）方面占優(yōu)勢(shì)”（九州大學(xué)的間瀨）。

　　圖7：利用10.5GHz無線電波測(cè)量駕駛員的心跳和心理壓力狀態(tài)

　　九州大學(xué)開發(fā)出了利用10.5GHz無線電波非接觸測(cè)量駕駛員的心跳和心理壓力狀態(tài)的技術(shù)（a）。（b）為利用該技術(shù)和ECG分別測(cè)出的心跳變化指標(biāo)（判斷壓力狀態(tài)的指標(biāo)）。

　　該技術(shù)原本是為了測(cè)量駕駛員的心理壓力狀態(tài)等而與汽車廠商共同開展的研究。計(jì)算心理壓力狀態(tài)要求有精度更高的心跳數(shù)據(jù)。因此，除了采用 10.5GHz頻率以外，還通過測(cè)量駕駛中動(dòng)作較少的左腿大腿部位、而不是受呼吸動(dòng)作影響較大的胸部，以及開發(fā)自主算法等，提高了精度（圖7（b））。

　　另外，巖手大學(xué)利用以多條天線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗IMO，開展了進(jìn)一步提高靈敏度的研究（圖8）。在各使用兩通道進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的試驗(yàn)中，呼吸成分的頻率檢測(cè)靈敏度比單通道時(shí)提高了8.3dB。關(guān)于MIMO的利用，阿爾卑斯電氣也表示，“雖然存在尺寸變大的缺點(diǎn)，但為了提高精度，可能會(huì)考慮采用”。

　　圖8：利用MIMO提高檢測(cè)靈敏度

　　在利用無線電波非接觸測(cè)量心跳和呼吸的技術(shù)方面，巖手大學(xué)開發(fā)出了利用MIMO提高檢測(cè)靈敏度的技術(shù)（a）。該大學(xué)的試驗(yàn)顯示，呼吸頻率的檢測(cè)靈敏度提高了8.3dB（b）。

　　采用光纖作為傳感器

　　（5）為利用光纖測(cè)量心跳的技術(shù)。創(chuàng)價(jià)大學(xué)工學(xué)部教授渡邊一弘開發(fā)除了“異質(zhì)核心型”光纖（圖9）。

　　圖9：利用光纖測(cè)量心跳和呼吸

　　創(chuàng)價(jià)大學(xué)開發(fā)出了將“異質(zhì)核心型”光纖作為傳感器使用的心跳和呼吸測(cè)量技術(shù)（a）。（b）為在寢具中縫入該光纖，測(cè)量睡眠時(shí)的呼吸等的情形。

　　異質(zhì)核心型光纖是在部分光波導(dǎo)插入纖芯直徑不同的部分。在直徑不同的位置，光的傳輸會(huì)變得不穩(wěn)定，因此，從外部觸碰光纖的話，傳輸?shù)墓饬繒?huì)發(fā)生變化。如果能在光纖頂端用光電二極管檢測(cè)出這一變化，就可以作為傳感器使用。

　　例如，將這種光纖縫入衣服和寢具中，就能檢測(cè)出身體動(dòng)作。渡邊表示，“具備測(cè)量心跳的精度”。

　　下一個(gè)測(cè)量對(duì)象是血液？

　　利用（1）～（5）技術(shù)的心跳測(cè)量技術(shù)今后會(huì)越來越多地得到采用。另外，還有觀點(diǎn)認(rèn)為，“將來如果能以非接觸、非侵襲方式測(cè)量血液，醫(yī)療健康領(lǐng)域會(huì)掀起一場(chǎng)更大的革命”（Aquavit代表董事、首席商務(wù)策劃師田中榮）。例如，東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所等開發(fā)出了把光的強(qiáng)度會(huì)隨血糖值變化的傳感器植入小鼠耳內(nèi)、通過從體外照射光來測(cè)量血糖值的技術(shù)（圖10）。今后，這些技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù)將得到進(jìn)一步開發(fā)。東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所等開發(fā)出了把光的強(qiáng)度會(huì)隨血糖值變化的傳感器植入小鼠耳內(nèi)，從而測(cè)量血糖值的技術(shù)。

　　圖10：根據(jù)螢光強(qiáng)度掌握血糖值