這款可穿戴健康和環境追蹤器(HET)的目標在於進行預測(例如突如其來的氣喘發作),以及建議可能夠阻止該事件發生所採取的行動。研究人員希望,經由這種由患者自身能量採集而供電且佈滿感測器的穿戴式裝置,最終能夠解決大部份的慢性病問題。為了克服這些挑戰,美國國家科學基金會(NSF)提供高達4萬美元贊助這項整合感測器與技術的先進自供電系統(Assist)研究。

20160613 NCSU NT01P1text in italic 該三件式感測器組原型連接在一起,可環繞在患者的手腕上,為其監測運動、心率、呼吸率、血氧量、皮膚阻抗以及氣喘肺音監測等。(來源:NCSU)

「這項NSF Assist是由患者身體所採集的能量而供電的,並可用於監測其健康與環境,」美國北卡羅萊納州立大學(NCSU)教授兼首席研究員Alper Bozkurt表示,他並指出,該研究大部份都由該校博士候選人James Dieffenderfer進行,以實現這款HET。

20160613 NCSU NT01P2 健康和環境追蹤器(HET)胸腔貼片的首款原型相當龐大且厚重,較輕巧的可商用化產品最終將在2020年實現。(來源:NCSU)

這項為期十年的HET開發計劃,如今已進展至第四個年頭了,研究人員最近展示其首款可用的原型,並計劃在今年底展開氣喘的人體試驗。這項研究工作一直是在美國國家科學基金會的ASSIST奈米系統工程研究中心(位於北卡羅萊納州立大學)進行。

「我們正與北卡羅萊納州立大學的研究夥伴們合作,首先針對氣喘發作進行研究,」Bozlurt說,「美國國家環境保護局(Environmental Protection Agency;EPA)告訴我們必須監控的正確健身與環境參數,才能有效預期並掌握氣喘發作情況。」

因此,Bozlurt、Dieffenderfer和其他研究人員們逐一區隔出腕戴式感測器中樞、胸腔貼片以及手持式呼吸分析器之間的不同功能,讓腕帶主要專注於環境因素,如監測空氣中的揮發性有機化合物與臭氧,以及環境濕度與溫度(腕帶還包括可監測動作、心率與血氧濃度的感測器),然後以無線方式將所收集的資料傳送給醫護人員。胸腔貼片中包括可追蹤患者運動、心率與呼吸率、血氧量、皮膚阻抗與氣喘肺音的感測器。而手持式呼吸分析儀(又稱為肺活量計)則用於測量肺功能。

一旦可在臨床試驗期間確定即將出現氣喘發作的情況,那麼就能成功實現一款低成本的專用版追蹤器。同時,每個患者受到誘發導致氣喘發作的情況不同,因此也能開發出個人化的版本。研究人員的最初試驗是與業界合作夥伴在控制的環境下進行,期望未來能進一步將這項技術導入產品中。

20160613 NCSU NT01P3 北卡羅萊納州立大學研究人員James Dieffenderfer (左)與Eric Beppler共同開發健康與環境追蹤器(HET)腕帶(來源:NCSU)

「目前還沒有一款小尺寸且功能全面的系統能進行這樣的研究,」Bozkurt說,「我們的目標在於找到一種適用於所有人的普遍刺激,但這還需要進行一些驗證。」 以一種特定條件

當計劃剛開始時,研究人員們試圖用現有的元件進行測試,但很快地就發現無法符合自供電能量採集裝置低於1mW的能量預算要求,因而必須開發新的感測器類型。事實上,這項計劃已經由於其能量採集肺活量計採用以患者呼吸驅動微型發電器供電而獲得了「醫藥與創新技術奬」了,並得到15萬美元的奬金,讓Dieffenderfer用於開發與銷售這款採集健康裝置。

這項人體試驗將從今年開始,目標是在2020年左右開發出完整的自供電商用裝置。該系統將從可穿戴式健康監測器傳送資至用戶的智慧型手機,因而能傳送給醫生,以及現場評估,以便在氣喘發作或健康亮起紅燈以前為患者發出警告與提供因應策略。

這項「為慢性呼吸道疾病連續監測環境與健康的低功耗可穿戴式系統」(Low Power Wearable Systems for Continuous Monitoring of Environment and Health for Chronic Respiratory Disease)的研究細節已發表於IEEE《生物醫學與健康資訊期刊》(Journal of Biomedical and Health Informatics)中。

參與這項研究的其他研究人員還括北卡羅萊納州立大學教授Henry Goodello、大學部研究人員Brinnae Bent;北卡羅萊納大學(University of North Carolina;UNC)教授Veena Misra、Omer Oralkan與Yong Zhu,以及博士後研究助理Bongmook Lee、博士候選人Steven Mills、Michael McKnight、Shanshan Yao、ason Strohmaier、John Muth、Alper Bozkurt與Feiyan Lin,以及大學部研究人員Eric Beppler與醫師David Peden等人。

編譯:Susan Hong

(參考原文:NSF Funds 'Wearable Doctor',by R. Colin Johnson)