用于健康与健身应用的传感器技术

确定我们的健康状态始终都是要设法监控及测量身体的大部分基本功能。 在监测仪器问世之前，人们都通过可视化指标来了解基本健康信息，诸如我们身体的温度应当是多少，健康的脉搏应是怎样以及可接受的呼吸速率该为多少等。

现今，随着人口老龄化日益严重，越来越多的人需要某种可便携的健康监控系统，其采取的设备形式可具有定时给药、刺激心脏，或者测量血糖水平以及注射胰岛素等功能。 本文探讨医疗与健身传感器技术，无论是接触式和非接触式，还是放置在皮肤上、皮下或者体内，目前或不久即可供设计工程师采用。 本文所述的所有零件、工具和数据均提供在 DigiKey 网站上。

简易入门

最简单的传感器形式是变送器，两种不同物质彼此接触就可构成。 实际的传感器元件可制成小型离散式引线型元件，或者作为探头或者电极组件的一部分。 它们可细微到类似发丝的电线，并能真正地自身生电。 热电偶是产生电压传感器的典型代表，通过异种金属基于温度产生电压。 例如，Omron E52-CA15AYD32 4M 等非接地零件，使用带有 3.2 mm 保护管的 K 型元件来测量温度，该元件可安装在皮肤上或者安装在固定夹缝中。

当其受到冲击或者振动时，可以充分利用压电效应，从微小的可嵌入传感器生成能量。 对于足球运动员而言，一个小型非侵入式的骨骼传感器就可为其即时指示是否已累积了过多的物理创伤，从而防止创伤转化为更严重的伤害。 压电传感器的小型化意味着，可以将它们编入纺织品、绷带或者衣物中。 而 TE Connectivity 2-1004347-0 等片式传感器具有柔性且可折叠，并可切割成非常具体的形状（图 1）。 例如鞋垫可确定在下台阶时是否产生了过大压力，用以帮助诊断背部或者关节问题。

变送器在收集真实状况方面尤为有用，但需要校准、线性化以及对漂移和温度影响进行补偿。 因此变送器系统与小型、智能系统级电子器件整合后，能够让这些设备成为一体式监控和报告系统。

可穿戴式设备显示我们的身体状况

研究人员和制造商们正在寻找适用于大众的、可穿戴式医疗和健身设备。 正在从事此类项目研究的伊利诺伊大学，正在开发下一代能够测量能量利用、心率和变异性、衰减、皮肤温度和 EEG/EKG 信号等设备（图 2）。 这类即剥即贴传感器，类似一次性贴片，可以与集线器或者路由器无线通信，执行必要的处理或者将数据传递到云端或医疗监测服务系统。 也可与本地智能手机结合使用。

图 2 黏贴式传感器为一体式测量系统，专门为佩戴者和/或世界任意位置的远程医疗监控服务系统提供监测和警示信息。

这里列举的只是集成了系统电子元件的变送器如何以非侵入的形式构建成小巧紧凑型医疗器件的一个实例。 将传感器织入纺织品，可以无需去诊所或携带医疗箱就能够监测生理状况。 此类技术的一种表现形式是智能袜，即在袜子中织入压力传感器以追踪步数、速度、卡路里和距离。 但它们的功能不止于此。 这些袜子还可以检测海拔高度，以便氧气水平可根据可用的氧气密度进行调整。

这类智能袜的另一优势是能够监控和测量脚着地力的大小。 我们行走和着地时的重量分布可通过骨骼、关节和脊椎传输力、冲击和压力。 一旦此技术达到能够检测并量化的程度，甚至在患者情况加重时能够及时以智能手机给予警示，那么慢性背部问题就可以直接追踪至人们行走的方式，并可以快速轻易地获得治疗。

图 3 织入嵌入式传感器的智能袜可以实时地向智能手机发送数据，帮助患者了解其慢性背部问题或者关节疼痛是否出现恶化情况，并改变其行走方式。

咬合产生数据信息

有项新设计已在人们心中构想了数十年之久，它就是齿内植入式电子元件。 最近，台北大学的研究者们成功地研发出齿内智能传感器，可监测、记录以及发送吸烟、饮酒、咳嗽、讲话或者呼吸中止时的数据。 据说，这种牙齿植入元件的数据准确率高达 94%，而且它以蓝牙进行通信，可植入补牙的内部（图 4）。

图 4 齿内传感器可以检测到化学以及物理活动，并且在吸烟、饮酒或者出现呼吸中止时当场警示接收者。

牙齿是一种特例情形，因为能够产生足够的力和压力，并以能量采集技术（例如之前提及的压电技术）加以收集为传感器供电。 体表（或者体内）传感器的能量采集是伊利诺伊大学的另一个研究课题。 他们研发出一款机械式能量采集片，可以从跳动的心脏捕获并存储能量（图 5）。 该生物塑料基片承载有传感器和能量调节电路，能够测量肌肉能量输出或者检测出运动员何时热身或者过度疲劳。 经证实，只是将采集片弯折后再摊平就能为 3.8 伏的电池充电。

能量采集对那些需要起搏器辅助的人士具有重大价值。 植入的调节假体可以持续自行充电而无需定期进行开胸手术更换电池。

图 5 类似图中的能量采集片可以插入到心脏或者肺部，使用通过物理运动产生的能量为体表或者体内的其他传感器和电子器件充电和提供动力。

现在的植入技术比以往更为普及，已成为我们日常生活的一部分。 英国开发的 Digital Health Assistant（数字健康助手）就是其中一个例子。 它是一款可植入的传感器，通过检测人们动作、习惯、饮食、心率、情绪以及其他代谢功能的变化，来检测出人们何时“不舒服”。

特别值得一提的是情绪检测。 这将在新领域（以传感器而言）为抑郁症提供潜在的技术解决方案。 可能在不久之后，我们就可以看到检测器在需要时就可为您分配抗抑郁药物。

类似地，静脉传感器技术也可为古谚语“没有什么神圣不可侵犯”提供新的佐证。 甚至亲密度也可以使用 Tactilu¹ 手环等器件随时随地进行监测，这种手环能够传输使用者之间的接触信息。 可以想象将数字化贞操带植入我们精力充沛的年轻身体内的情形。

结论

我们对医疗领域的深入了解，让我们能够以更具侵入性的方式探测和监控影响我们健康的内部过程。 在医生设法使用更多传感器来监测特定代谢指标的过程中，该趋势将会持续。 随着用于体表或者体内的新型智能传感器的推出，越来越多的人将体验到以下情形：有源传感器在我们走路、交谈、吃饭和睡觉的同时，默默地对我们的健康状况进行监测。 我们正在成为我们全球互联网中的一个无线数据节点。 我们期望没有人可以侵入我们。

如需详细了解本文讨论的零件，请使用文中提供的链接访问 DigiKey 网站上的产品页。

参考

1. Tactilu