確定我們的健康狀態(tài)始終都是要設(shè)法監(jiān)控及測(cè)量身體的大部分基本功能。 在監(jiān)測(cè)儀器問世之前，人們都通過可視化指標(biāo)來了解基本健康信息，諸如我們身體的溫度應(yīng)當(dāng)是多少，健康的脈搏應(yīng)是怎樣以及可接受的呼吸速率該為多少等。

現(xiàn)今，隨著人口老齡化日益嚴(yán)重，越來越多的人需要某種可便攜的健康監(jiān)控系統(tǒng)，其采取的設(shè)備形式可具有定時(shí)給藥、刺激心臟，或者測(cè)量血糖水平以及注射胰島素等功能。 本文探討醫(yī)療與健身傳感器技術(shù)，無論是接觸式和非接觸式，還是放置在皮膚上、皮下或者體內(nèi)，目前或不久即可供設(shè)計(jì)工程師采用。 本文所述的所有零件、工具和數(shù)據(jù)均提供在 Digi-Key 網(wǎng)站上。

簡(jiǎn)易入門

最簡(jiǎn)單的傳感器形式是變送器，兩種不同物質(zhì)彼此接觸就可構(gòu)成。 實(shí)際的傳感器元件可制成小型離散式引線型元件，或者作為探頭或者電極組件的一部分。 它們可細(xì)微到類似發(fā)絲的電線，并能真正地自身生電。 熱電偶是產(chǎn)生電壓傳感器的典型代表，通過異種金屬基于溫度產(chǎn)生電壓。 例如，Omron E52-CA15AYD32 4M 等非接地零件，使用帶有 3.2 mm 保護(hù)管的 K 型元件來測(cè)量溫度，該元件可安裝在皮膚上或者安裝在固定夾縫中。

當(dāng)其受到?jīng)_擊或者振動(dòng)時(shí)，可以充分利用壓電效應(yīng)，從微小的可嵌入傳感器生成能量。 對(duì)于足球運(yùn)動(dòng)員而言，一個(gè)小型非侵入式的骨骼傳感器就可為其即時(shí)指示是否已累積了過多的物理創(chuàng)傷，從而防止創(chuàng)傷轉(zhuǎn)化為更嚴(yán)重的傷害。 壓電傳感器的小型化意味著，可以將它們編入紡織品、繃帶或者衣物中。 而 TE Connectivity 2-1004347-0 等片式傳感器具有柔性且可折疊，并可切割成非常具體的形狀（圖 1）。 例如鞋墊可確定在下臺(tái)階時(shí)是否產(chǎn)生了過大壓力，用以幫助診斷背部或者關(guān)節(jié)問題。

圖 1 類似于該片式壓電傳感器的柔性可成型傳感器，可應(yīng)用在衣物或者鞋子的表面或內(nèi)部，用以測(cè)量關(guān)節(jié)和脊椎的壓力。

變送器在收集真實(shí)狀況方面尤為有用，但需要校準(zhǔn)、線性化以及對(duì)漂移和溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償。 因此變送器系統(tǒng)與小型、智能系統(tǒng)級(jí)電子器件整合后，能夠讓這些設(shè)備成為一體式監(jiān)控和報(bào)告系統(tǒng)。

可穿戴式設(shè)備顯示我們的身體狀況

研究人員和制造商們正在尋找適用于大眾的、可穿戴式醫(yī)療和健身設(shè)備。 正在從事此類項(xiàng)目研究的伊利諾伊大學(xué)，正在開發(fā)下一代能夠測(cè)量能量利用、心率和變異性、衰減、皮膚溫度和 EEG/EKG 信號(hào)等設(shè)備（圖 2）。 這類即剝即貼傳感器，類似一次性貼片，可以與集線器或者路由器無線通信，執(zhí)行必要的處理或者將數(shù)據(jù)傳遞到云端或醫(yī)療監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)。 也可與本地智能手機(jī)結(jié)合使用。

圖 2 黏貼式傳感器為一體式測(cè)量系統(tǒng)，專門為佩戴者和/或世界任意位置的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)提供監(jiān)測(cè)和警示信息。

這里列舉的只是集成了系統(tǒng)電子元件的變送器如何以非侵入的形式構(gòu)建成小巧緊湊型醫(yī)療器件的一個(gè)實(shí)例。 將傳感器織入紡織品，可以無需去診所或攜帶醫(yī)療箱就能夠監(jiān)測(cè)生理狀況。 此類技術(shù)的一種表現(xiàn)形式是智能襪，即在襪子中織入壓力傳感器以追蹤步數(shù)、速度、卡路里和距離。 但它們的功能不止于此。 這些襪子還可以檢測(cè)海拔高度，以便氧氣水平可根據(jù)可用的氧氣密度進(jìn)行調(diào)整。

這類智能襪的另一優(yōu)勢(shì)是能夠監(jiān)控和測(cè)量腳著地力的大小。 我們行走和著地時(shí)的重量分布可通過骨骼、關(guān)節(jié)和脊椎傳輸力、沖擊和壓力。 一旦此技術(shù)達(dá)到能夠檢測(cè)并量化的程度，甚至在患者情況加重時(shí)能夠及時(shí)以智能手機(jī)給予警示，那么慢性背部問題就可以直接追蹤至人們行走的方式，并可以快速輕易地獲得治療。

圖 3 織入嵌入式傳感器的智能襪可以實(shí)時(shí)地向智能手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，幫助患者了解其慢性背部問題或者關(guān)節(jié)疼痛是否出現(xiàn)惡化情況，并改變其行走方式。

咬合產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息

有項(xiàng)新設(shè)計(jì)已在人們心中構(gòu)想了數(shù)十年之久，它就是齒內(nèi)植入式電子元件。 最近，臺(tái)北大學(xué)的研究者們成功地研發(fā)出齒內(nèi)智能傳感器，可監(jiān)測(cè)、記錄以及發(fā)送吸煙、飲酒、咳嗽、講話或者呼吸中止時(shí)的數(shù)據(jù)。 據(jù)說，這種牙齒植入元件的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高達(dá) 94%，而且它以藍(lán)牙進(jìn)行通信，可植入補(bǔ)牙的內(nèi)部（圖 4）。

圖 4 齒內(nèi)傳感器可以檢測(cè)到化學(xué)以及物理活動(dòng)，并且在吸煙、飲酒或者出現(xiàn)呼吸中止時(shí)當(dāng)場(chǎng)警示接收者。

牙齒是一種特例情形，因?yàn)槟軌虍a(chǎn)生足夠的力和壓力，并以能量采集技術(shù)（例如之前提及的壓電技術(shù)）加以收集為傳感器供電。 體表（或者體內(nèi)）傳感器的能量采集是伊利諾伊大學(xué)的另一個(gè)研究課題。 他們研發(fā)出一款機(jī)械式能量采集片，可以從跳動(dòng)的心臟捕獲并存儲(chǔ)能量（圖 5）。 該生物塑料基片承載有傳感器和能量調(diào)節(jié)電路，能夠測(cè)量肌肉能量輸出或者檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)員何時(shí)熱身或者過度疲勞。 經(jīng)證實(shí)，只是將采集片彎折后再攤平就能為 3.8 伏的電池充電。

能量采集對(duì)那些需要起搏器輔助的人士具有重大價(jià)值。 植入的調(diào)節(jié)假體可以持續(xù)自行充電而無需定期進(jìn)行開胸手術(shù)更換電池。

圖 5 類似圖中的能量采集片可以插入到心臟或者肺部，使用通過物理運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量為體表或者體內(nèi)的其他傳感器和電子器件充電和提供動(dòng)力。

現(xiàn)在的植入技術(shù)比以往更為普及，已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?英國開發(fā)的 Digital Health Assistant（數(shù)字健康助手）就是其中一個(gè)例子。 它是一款可植入的傳感器，通過檢測(cè)人們動(dòng)作、習(xí)慣、飲食、心率、情緒以及其他代謝功能的變化，來檢測(cè)出人們何時(shí)“不舒服”。

特別值得一提的是情緒檢測(cè)。 這將在新領(lǐng)域（以傳感器而言）為抑郁癥提供潛在的技術(shù)解決方案。 可能在不久之后，我們就可以看到檢測(cè)器在需要時(shí)就可為您分配抗抑郁藥物。

類似地，靜脈傳感器技術(shù)也可為古諺語“沒有什么神圣不可侵犯”提供新的佐證。 甚至親密度也可以使用 Tactilu1 手環(huán)等器件隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種手環(huán)能夠傳輸使用者之間的接觸信息。 可以想象將數(shù)字化貞操帶植入我們精力充沛的年輕身體內(nèi)的情形。

結(jié)論

我們對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域的深入了解，讓我們能夠以更具侵入性的方式探測(cè)和監(jiān)控影響我們健康的內(nèi)部過程。 在醫(yī)生設(shè)法使用更多傳感器來監(jiān)測(cè)特定代謝指標(biāo)的過程中，該趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)。 隨著用于體表或者體內(nèi)的新型智能傳感器的推出，越來越多的人將體驗(yàn)到以下情形：有源傳感器在我們走路、交談、吃飯和睡覺的同時(shí)，默默地對(duì)我們的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 我們正在成為我們?nèi)蚧ヂ?lián)網(wǎng)中的一個(gè)無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。 我們期望沒有人可以侵入我們。