柔性电子技术与移动医疗

柔性电子技术与移动医疗冯雪清华大学航天航空学院CHIMA论坛，北京，2017动态实时生理参数获取及无线传输是健康监测的基础国家重大需求：医疗与健康信息监控体温呼吸生理参数实时监测与传输人的健康是构建可持续发展社会的核心之一新生儿健康监测植入式心血管系统治疗与术后健康监测心脑血管等重大疾病的早期征兆预测极其重要与人体组织自然融合的器件可长期、精准医学测量与移动互联网结合开辟新型远程医疗方式为大数据医疗提供实时基础数据解决需求的有效途径-可延展柔性集成器件满足人体可延展柔性环境的无机光子／电子集成功能器件：传感—获取人体温度、呼吸、血压、心电、脑电等信息光子—生物光电信息；近红外LED获取血氧等信息等电子—信息处理与无线传输兼备可变形与高性能实现器件与人体自然贴合超柔性透气仿皮肤传感器（温度、变形）防水透气传感结构超柔超薄（~50um）舒适贴合基础体温测量呼吸监测人体健康应用实现防水、透气类皮肤柔性温度传感器桡动脉测量手指弯曲测量实现超薄柔性变形传感器，可用于脉搏、动作、帕金森症等监测超薄柔性变形传感器新型口鼻呼吸无线监测器件用餐睡觉运动中应用：多场景随体连续实时呼吸监测与商业呼吸系统信号对比监测鼻口气流温度呼吸运动口鼻呼吸测量原理无线数据传送腹式呼吸胸式呼吸鼻式呼吸2730279029102970303028502.01.81.61.21.4温度变化./oC时间/sNaN暂停便携式睡眠监测仪柔软轻薄，舒适性好，可长时间随体监测精准获取呼吸暂停信息，符合美国睡眠医学学会诊断标准静态监测下，心电图波形等同于医疗心电图运动状态下，原始监测心电图波形杂乱衣服/贴片和贴片/皮肤两个界面的影响心电动态监测心电图静态监测心电图动态监测心电图静态监测心电图动态监测衣服/贴片之间的摩擦引起静电，通过衣物造成影响衣服/贴片界面影响静态监测静态监测静态监测摩擦衣物摩擦衣物摩擦衣物提起衣物摩擦提起衣物摩擦提起衣物摩擦无衣物紧身衣宽松衣运动状态下，贴片/皮肤的影响小于衣服/贴片的影响贴片/皮肤界面影响摆臂摆臂摆臂跳动跳动跳动跑步跑步跑步无衣物紧身衣宽松衣衣服/贴片之间的摩擦引起静电，通过衣物造成影响通过防静电材料屏蔽静电，消除静电引起的噪音防静电材料生物兼容性较差衣服/贴片界面影响消除静态监测静态监测静态监测摩擦衣物摩擦衣物摩擦衣物无衣物紧身衣防静电材料保护宽松衣防静电材料保护控制相对运动、减小水凝胶的阻抗来消除贴片/皮肤界面的影响贴片/皮肤界面影响消除摆臂摆臂摆臂跳动跳动跳动跑步跑步跑步无衣物紧身衣防静电材料保护宽松衣防静电材料保护运动状态下，动态监测获取的心电图波形等同于医疗心电图贴片/生物兼容材料/防静电材料/紧身运动衣集成生物水凝胶参杂二维导电导电材料减小阻抗的影响智能服装心电动态监测摆臂跳动跑步内部构造智能服装心电图动态监测生物水凝胶超柔心电贴实时监测心电、运动、呼吸、睡眠超柔、超薄、完美贴合人体皮肤测量精度达到医疗标准低功耗蓝牙技术，超低辐射运动情况下心电测量-平板实验运动状态下，动态监测获取的心电图波形等同于医疗心电图心电图静态监测心电图动态监测(器件未做防护)摆臂跳动跑步紧身衣防静电材料保护无衣物跑动着紧身衣跑动剧烈运动下的心电测量14产品应用推广-飞行员训练过程心电全过程监测全程监测试飞员训练过程心率变化过程，准确捕捉紧张时刻，为试飞员长期心理素质评估提供准确数据飞行模拟器测试合作单位：西安试飞院红光红外HbHbO2强度浓度血氧测量原理及其生理信息Lamber-Beer定律：b00022inHbOHOHbHbcLcLcLIIeee双波长光探测组织静脉其他动脉吸收反射光强稳定吸收入射光强收缩舒张（还原）血红蛋白(Hb,HbO2)浓度与吸收光强成正比600700800900波长/nm500Hb吸收HbO2吸收红光红外探测器响应血氧精准测量：PPG信号＋血氧饱和度＋脉搏波＋神经活动„现有血氧测量仪器透射式反射式当前瓶颈：测量时需静止、不能长期随体测量无法测量躯体、头部等血氧信息abc难点监测位置任意自适应皮肤变形变形影响光路解决方案器件轻薄化柔性可延展生物光学＋结构设计类皮肤柔性光电器件血氧精准测量：血氧饱和度＋PPG信号＋脉搏波＋神经活动„DevicestructureanddemissionChamberringLEDsPDAll-in-onestructure类皮肤柔性光电器件：转印集成RedlightoninfarredlightonFingerWristhead优异的柔性与可延展特性可与人体不同部分任意自然贴合类皮肤柔性光电器件：随体测试减少运动和组织变形影响！类皮肤柔性光电器件与血氧血压监测IRedOnLightdrivesignalREDOnFingerWrist光源波长:620nm&850nm每4s交替点亮不同位置血氧监测实现血氧浓度和脉搏持续测量30类皮肤柔性光电器件：随体测试柔性血氧监测器件类皮肤柔性光电集成器件AdvancedHealthcareMaterial,2017(封面文章)在ACSNano,AdvancedHealthcareMaterials等发表系列论文。获选美国化学学会编辑选择(ACSeditors’choice);获NanoToday杂志专栏报道。基于脉搏波传播时间(PTT)测量血压的原理(uA)0(1)Atx10(2)uuPutxx(3)AdPpwvdA不可压缩无粘流体的运动方程:脉搏波的传播波速为:一维不可压缩连续性方程：再由薄壁圆管的应力应变公式，即可得经典的Moens-Korteweg(M-K)公式：Ehpwvd其中E：血管的弹性模量h：血管的厚度：血液的粘度d：血管的直径(1)Ehpwvd（脉搏波传播速度pwv和血管材料、几何特性有关）0(2)BPEEe（BP,指血压;血管弹性模量与血压之间的经验公式，一般取0.017）由(1)、(2)、(3)可得201ln2lnPTTdLBPhE00PTT2lnPTTBPBP(3)LPTTpwv（PTT,脉搏波传播时间;L,测量两点的距离）常数标定后基于脉搏波传播时间(PTT)测量血压的原理0.05s74.5974.64在手臂两点处，，由同一脉搏不同位置的时间差，就可以确定脉搏波的传播时间（PTT）根据波峰之间的时间差和实测血压值进行标定后，就可以估计之后任意时刻的血压值基于脉搏波传播时间(PTT)测量血压的原理血压测量基础上PPG信号测量心输出量、外周阻力容积脉搏波波形压力脉搏波波形定义特征量：容积脉搏波形与压力脉搏波形的联系mdsdPPKPPmminmaxminQQKQQm01(t)dtTPPTm01(t)dtTQQTm()dsdPPKPPmminmaxmin()QQKQQ根据血流动力学定义：外周阻力R，心输出量CO和平均脉动圧Pm的关系为1mmmmPPPRCOQSVTminmaxminmdsdmPPPPQKQKQQRRRR线性化假设下直流分量与脉动分量应分别相等直流分量：脉动分量:mindPQRmaxminsdPPKQQKRR心输出量是衡量心脏泵血功能的重要指标类皮肤血压测量器件PD1PD2LEDdriverLowpassLowpassAmplificationAmplificationBluetoothGRIRFlexiblecircuitSensorAccelerometerStorageMicro-controller器件实物图器件原理图血压测量原理LEDPD1PD2测量现场医用敷料衬底，对皮肤无刺激，实现长时监测超柔超薄设计，具备无线传输功能血压血氧同步测量血压测量基础上PPG信号测量心输出量、外周阻力024681.511.521.531.541.55Voltage(V)Time(s)Signal1Signal2PPG信号及测量血压值2.42.62.83.01.521.541.56Voltage(V)Time(s)Signal1Signal2PTTP1P2V2V115101520258090100110MeasReal110120130140150160170MeasRealSP(mmHg)DP(mmHg)Time(min)110115120125130MeasrealSP(mmHg)124681070758085MeasrealDP(mmHg)Time(s)不同动脉位置PPG信号长时血压监测短期血压监测血压精准测量！晶圆模块柔性封装研发具有自主知识产权的柔性集成电路制造技术柔性集成器件大规模制造自主研发国内/国际第一条柔性集成器件生产中试线产能:单条线9000片/月柔性电子产品在远程医疗和分级诊疗的应用技术架构穿戴“柔性电子医疗产品”社区医院养老中心乡村卫生院其他医疗结构一级检测中心远程云端数据平台数据报告存储、管理和传输省级医疗机构、专家组数据分析及反馈手机、电脑等互联网终端数据记录诊断流程应用意义对于医院：实现医院专家资源共享，有助于基层机构更好的开展相应的电子生理检查项目；远程会诊的开展，有利于提高疑难杂症的诊疗效率及水平；患者病例数据的全面分享，有助于提升区域内整体医疗水平。对于医生：区域覆盖内的大量病例数据，科研数据的获取更方便，快速提升诊疗水平。对于患者：减少大医院预约挂号、排队的等待时间，就近就诊，同样可以享受专业的医疗诊断；数据库的建立，同时也为后期建立的个人的电子病历档案打下基础。智柔科技---云管理系统智柔科技---智能监测平台适用于医院、养老等集中监测场所系统可扩展性强，可以医院第三方管理系统对接监测群体按严重程度自动排序、重点监测、告警管理、病人信息管理智柔科技的平台智柔科技运用领域公司专注于柔性可穿戴医疗健康产品的研发、生产和销售，为基于“互联网+”的精准远程医疗信息采集和个人健康管理提供可靠的设备支撑和解决方案。智柔科技的价值远程医疗系统打破了地域的限制,身处异地就可以为远方提供高水平医疗服务。它是把医疗同信息化结合起来，充分利用和整合医疗资源，促进院内外的交流，有利于人才的培养和医疗质量的提高。实现功能：阵列3D传感器设计实现复杂环境下的精准、快速体温测量超轻(8g),超柔超薄(2mm弯曲半径)医疗级准确性独特优势：基础体温实时无线传输发烧管理与报警超低功耗，可持续工作两周远程监控智柔科技产品一：发烧监测（医疗版+个人消费版）天线/薄膜电池/保护层柔性传感器层（一次性）ARMLNAADBT/RFIDPZTBurstFlashG-sensorBPF信号处理层基础体温智柔科技产品二：排卵与备孕避孕管理（个人消费版）实现功能：排卵期温度监测与排卵预测生理周期与孕期管理独特优势：业界最柔、最轻、最薄超低功耗，可持续工作两周阵列3D传感器设计，实现复杂环境下的精准体温测量•厚度1mm;重量6g;柔性贴于腋下智柔科技产品三：柔性动态心电监测（医疗版+个人消费版）实时监测心电、温度、呼吸、加速度超柔、超薄、完美贴合人体皮肤活动状态下医疗级动态心电监测低功耗蓝牙技术，超低辐射心电贴片移动设备APP超柔心电贴运动下心电监测五维康便携智能心电咨询系统42产品特点1.十二导联一体化定位电极，一键同步测量；2.无需布置导联线，使用方便，易学易用；3.国内领先的自动分析报告功能；4.专业医生能即时远程判读、复核；5.适用于门诊、体检、家庭医生出诊、心血管病筛查、慢病管理、居家监测。43柔性睡眠监测心电监测呼吸监测温度监测睡眠质量评估呼吸暂停监测AllInOne实现功能：心电、呼吸、体态实时无线传输与大数据心肺耦合功能睡眠质量评估智柔科技产品四：柔性睡眠监测贴片（个人消费版）2016年3月14日浙江省委书记夏宝龙、原省长李强等主要领导参观柔电并落实转化2016/7/7浙江省委副书记、省长车俊到现场考察柔电