综述：用于婴幼儿智能健康监测的可穿戴生物传感器

重症监护中婴儿患者的健康监测非常困难。在过去的几十年中，柔软、非侵入性地可穿戴系统得到了快速的发展。近期，来自佐治亚理工学院（The Georgia Institute of Technology）的研究人员在Communications Materials期刊上发表了题为“Skin-interfacing wearable biosensors for smart health monitoring of infants and neonates”的综述性论文，总结了新生儿可穿戴生物传感系统的最新进展和不同方法，重点介绍了智能皮肤接口可穿戴设备，指出了目前已开发的可穿戴系统的弱点和不足，并提供了进一步研究的指导方针。

将传统监测实践转化为可穿戴设备的工作原理示意图

为婴儿患者群体设计可穿戴系统时，需考虑其体型小、需要接受多种监测且需要经常进行抽血检查的特点。因此，在实现技术现代化和可穿戴时，关键设计考虑因素包括小而保形的形状因素、与皮肤温和生物相容的粘附性能，以及使设计对护理人员看起来良性，同时保持良好的信号质量和有效操作。

可穿戴电子产品的材料和设计选择

心电图（ECG）是监测心脏功能的关键信号，可得出心率（HR）、心率变异性（HRV）、心律和呼吸率（RR）。通过调整电极放置确保精度，Pan-Tompkins算法可从ECG信号中提取实时心率。Chung等人应用一体化EES系统模拟新生儿重症监护室内生命体征监测，但该系统机械脆弱、昂贵且不适合一次性使用，NFC通信协议操作距离有限。Kim等人优化了EES的构造策略，提高了系统的耐用性，其新生儿心电图监测设备可连续监测数小时，还有蓝牙SoC可远程遥测。纺织电极在无导电凝胶的ECG记录中受欢迎，但需施加恒定压力。这些设备系统可通过无线通信和机器学习执行实时HR、RR、HRV和心律测定，但需谨慎处理数据传输不一致问题。

生物电位传感的机制和装置

新生儿非侵入性薄膜生物标志物传感可取代传统侵入性抽血，对健康预诊断、诊断和预后有重要意义。目前，可穿戴设备在检测汗液、唾液和尿液中的生物标志物方面取得进展，如检测葡萄糖、钠、钾、苯丙氨酸等。然而，这些生物流体和血清离子浓度之间缺乏明确关系，非侵入性诊断能力有限。未来，新生儿应用的可穿戴分析物检测设备有望增长。

电化学传感装置

上传到单个数据汇的多信号系统同步记录，可在信号间形成比较关系，计算新的生理指标。例如，Chung等人的双峰心电图和PPG测量系统，能识别心电图R峰值到PPG谷值基准的时间，得出脉搏到达时间（PAT），并证明1/PAT和收缩压（BP）的线性关系。他们还改进设计，增加高灵敏度三轴加速度计，测量地震心电图（SCG），得出脉搏传导时间（PTT），结合血管假设得出血压替代值。该系统符合血压袖带要求，但血压易受多种因素影响，需常校准。数据时间同步不可靠，依赖时序差异度量时，滞后和不精确时间戳会导致关系数据不佳，Chung等人通过传输本地时钟信息解决该问题。心电图和SCG组合可用于估计每搏输出量。Yoo等人创建多信号系统，结合惯性测量单元（IMU）与麦克风，监测心肺和胃肠道事件，绘制时空图，实现声音分离和音频重建。多个相同传感器的同时跟踪也有优势，如用于脑瘫检测和重建3D身体运动。

多信号传感的机制和设备

总体而言，柔性电子产品和可穿戴健康监测系统不断发展，为弱势群体和研究不足的人群带来巨大益处。它们可测量关键生理指标，取代侵入性手术，改善患者预后。先进的信号处理还能实现医学推导，帮助诊断和恢复监控。然而，当前工作仅触及新生儿人群生物医学应用的表面。随着针对婴儿的进一步研究和开发，这一人群可能成为最大受益者。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s43246-024-00511-6