過去一年來,我們已經在各種穿戴式裝置和個人健康/健身裝置上看到大量的活動了,預計未來還將出現更多。這些小型裝置能夠追蹤脈搏與呼吸、心臟波形、血氧濃度(SpO2)等等。

然而,在這些有益身心的醫療和健身裝置備受關注之餘,可別模糊了該領域的更大視野。業界工程師、研究人員和科學家正致力於結合各種先進的感測器類型和技術,以及複雜的類比和數位訊號處理,期望為各種醫療問題提供新的見解,並以低(或無)風險的非侵入方式實現目標。根據最近的一些報導指出,近期的原型產品或測試評估階段即透露出這種技術融合的發展態勢,無論是聲譽卓著的設計競賽或大學研究,均展現其中一些設計開發的特性與複雜度。

例如,測量血壓通常至關重要,並且有許多完全自動化的單元:它們為壓脈帶充氣、釋放壓力、再從壓脈帶捕捉輸出訊號,然後採用訊號處理演算法,在收縮壓和舒張壓擷取所需的結果——由於必須考慮到壓力訊號範圍、訊號上無法避免的非電雜訊以及其他失真,這可不是個簡單的任務。此外,還得注意到連續即時測量血壓而無需停止、充氣和放氣的挑戰等,但這對持續監測是十分有幫助的。

這正是Bold Diagnostics在‘Create the Future 2016’競賽中克服的挑戰,並因此脫穎而出成為該競賽的贏家。該公司的連續穿戴式血壓計設計由於考慮到主動脈弧的解剖結構導致固有延遲的事實,因而採用差分脈衝到達時間(Differential Pulse Arrival Time;DPAT)技術,讓心臟收縮產生的脈搏波在到達左臂之前先到達右臂。

到達時間的差異即為血壓指標(圖1)。相較於控制測量,利用這種方法據稱能夠在DPAT方法和傳統的血壓測試測試方式之間達到±5 mm Hg的強相關(圖2)。

20170515_medical_NT31P1 圖1:DAPT利用左右手臂測量心臟脈搏到達時間的微小差異,作為壓力的函數,以及血液從每一路徑行進至另一路徑之間不同傳送距離的結果(來源:NASA Tech Briefs)

20170515_medical_NT31P2 圖2:基於DPAT方法的受控測試結果顯示相當接近採用標準方法的收縮和舒張讀數 (來源:NASA Tech Briefs)

另一項有趣的獲獎產品是Apnosystems嬰兒護理系統(ICS)。這款嬰兒治療用的小型穿戴式系統是專為連續性監測處於危險中的嬰兒SpO2值(透過光脈衝血氧濃度計)而設計的,用於確定是否因為不穩定的氣道情況或其他醫療問題(圖3)而停止呼吸。

如果系統確定SpO2值降至太低,則必須立即進行人為干預,以防止缺氧(包括腦損傷)等嚴重後果。接著,除了向智慧型手機發送基於藍牙的警訊之外,系統還會自動提供溫和且無害的經皮電刺激——這是一種很小的電氣「刺激」,能喚醒嬰兒並重新開始自動呼吸。

20170515_medical_NT31P3 圖3:這款小型裝置可測量與呼吸活動密切相關的SpO2值;一旦數值低於閾值,隨即以微小電流刺激嬰兒,並同時發送智慧型手機警報(來源:NASA Tech Briefs)

當然,還有許多創新來自於全球各大學的研究計劃。例如,耳朵感染的情況十分常見,但卻經常被錯誤診斷,這一對/錯評估比約佔50/50。事實上,診斷的依據多半來自醫生的經驗並根據各種症狀作最後的判斷。誤判主要的原因在於耳內觀察用的傳統可見光耳鏡無法深入組織,以顯示鼓膜後積聚的液體。

為了克服這個問題,美國麻省理工學院(MIT)的研究人員開發出一種採用短波紅外光(SWIR)而非可見光的新型耳鏡,它能穿透至更深層(圖4)。雖然這比傳統的標準裝置更複雜且昂貴,但與當今的電光技術差異不大,可望提供較標準方法更準確的評估。

20170515_medical_NT31P4 圖4:耳道的形狀和鼓膜的位置使其難以觀察和評估位於耳朵另一側的液體(左)。比較透過標準耳鏡觀察的影像,以及使用基於SWIR成像系統觀察到的影像(右)。 (來源:Bioptics World)

醫療測試與測量方面的創新並不只是改善了現有的裝置,同時也著重於採用新的方法來收集基於感測器的資料並加以應用。研究人員採用並結合超越標準方法的傳感器,並添加訊號處理演算法來實現,從而將這些資料轉換為有幫助的看法。隨著這些感測器的成本及其尺寸與功耗要求降低,而其性能與準確度持續提升,測量諸如壓力、IR、溫度等多項參數也將成為常見的方法,並進一步邁向醫療級穿戴式裝置願景。

你曾經看過任何類似的低成本、非侵入式小型醫療儀器,它如何讓您印象深刻?或者你是否剛好也在進行任何相關的設計?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Medical Tests: Merged Technologies Yield Dramatic Insight,by Bill Schweber)