可穿戴设备在肺癌患者肺康复的应用.pdf

生 物 医 学 工 程 研 究 ，（）：四川省重大科技专项（）。通信作者 ：可穿戴设备在肺癌患者肺康复的应用周虹均，赖玉田，陈宇，韩书朗，胡雪丰，熊艳（四川大学 机械工程学院，成都 ；四川大学华西医院 肺癌中心，成都 ；四川大学 生物力学工程省重点实验室，成都 ；四川大学 国家生物医学材料工程技术研究中心，成都 ）摘要：可穿戴设备因其便携、灵活、智能化在人体生命体征监测及康复治疗等领域得到了广泛应用。随着可穿戴设备的不断改进，逐渐成为肺康复监测的可靠工具，然而可穿戴设备在肺康复领域研究较浅，还需进一步深入研究。本文分析并总结了可穿戴设备在生物电信号和生理参数中的技术应用及研究进展。针对肺癌患者肺康复过程，重点介绍了基于可穿戴设备，利用超声成像实现对患者膈肌功能的监测研究，并对其进行了展望，以期为可穿戴设备在肺康复领域的研究提供参考，从而高效、准确地实现对肺癌患者肺康复效果的评定与治疗。关键词：可穿戴设备；肺康复；生命体征测量；肺癌；膈肌；超声中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，：；引言伴随电子元器件的更新迭代，传感器和电控机械结构的优化让可穿戴设备的应用范围越来越广泛 。可穿戴设备按其功能可分为两类：一种是对人体功能的延展或缺陷补充，如假肢和智能眼镜等；另一种是对人体生命体征的辅助监测，如心率、血氧监测等。近年来基于柔性电子技术的发展，使可穿戴设备的舒适性、便携性有了较大提升，能更长时间地贴合人体工作，并能实时有效地监测生命体征和更全面地收集生理数据。尤其在肺癌患者的术后肺康复过程中，具备监测生命体征的可穿戴设备具有生物医学工程研究第 卷积极作用。我国国家癌症中心 年发布的数据显示：年，在我国所有癌症患者中，肺癌以每十万人中有 人发病的概率，成为我国癌症治疗的重点 。图 为 年我国每十万人各癌症发病人数和世界标准人群每十万人各癌症发病人数折线图。图 年我国和世界标准人群各癌症每十万人发病人数 ，肺癌患者在接受化疗或手术切除肺叶的治疗后，其术后往往都面临肺功能受损、胸闷咳嗽等情况，患者需接受长期的肺康复锻炼。肺康复通常要求患者长期通过特定项目锻炼肺功能，常见的有缩唇呼吸锻炼法、膈肌呼吸锻炼法等。研究表明，长期有效地肺康复锻炼可提高呼吸肌力量，增加肺活量，促进术后康复 。而如何评定肺康复锻炼的效果及患者术后肺功能康复的情况，可通过可穿戴设备监测各生命体征实现。本文就可穿戴设备应用于肺癌患者肺康复监测的技术可行性，对可穿戴设备在生命体征监测的现状和针对肺癌患者肺康复相关研究两部分进行综述。可穿戴设备在生命体征监测的现状可穿戴设备在生命体征监测方面依赖于现有生物医学监测技术。从监测指标来看，研究大多集中于：（）生物电信号：心电、肌电、脑电；（）生理参数：血压、生物声（心音、肺音等）、血液、体温、呼吸功能（呼吸频率、肺活量等）。而其余检测量因受限于可穿戴设备的尺寸和便携性，以及检测量本身，在可穿戴设备中应用较少。生物电信号的监测生物电信号主要包括心电、脑电和肌电信号等。脑电信号反映人体大脑活动情况，在监测精神性疾病、脑电生物反馈治疗和脑机接口研究中具有重要作用；通过对心电信号监测，可辅助医生判断各种心脏疾病；肌电信号涵盖范围较广，通过提取人体不同部位的肌电信号对分析人体肌肉运动和人机接口研究有着重要作用 。在可穿戴设备研究中，关于心电和肌电信号监测的研究较脑电监测更为成熟、广泛。心电监测心电信号的监测原理是利用身体各部位在心脏跳动时，会在皮肤表面表现出微弱的电位变化，通过记录各部位电位变化并进行处理，得到心电图。在监测过程中，电极的选用和布置尤为重要，电极的数量，即导联的数目决定着监测精度。常规便携式心电仪大多基于 技术，如乐普便携式心电监护仪等，其相较于医院的心电仪体积更小，便于携带，但因导联佩戴位置的要求，且长期佩戴易引起患者不适，很难实现方便持久的心电监测。等 研发了一种用于可穿戴心电监测设备的干式心电电极，该电极可编织于纺织品中，能够实现优于现有监测设备的灵活性和舒适度。牛群 研发的可穿戴心电监测装置将柔性织物电极固定于穿戴衣，较好实现了心电信号采集和处理。等 摒弃了标准的 导联心电图，开发了单肢臂带式心电监测仪，通过监测心肌电位活动，在监测心率、心率变异性方面和 导联心电图有良好的相关性。肌电监测临床上多使用插入式电极监测肌电信号。可穿戴设备主要是针对表面肌电信号进第 期周虹均，等：可穿戴设备在肺癌患者肺康复的应用行监测，通过对表面肌电信号的监测实现肌肉疲劳监测和人机交互等应用 。等 设计的假肢可通过肌电信号进行控制，得到较好的控制准确度。目前，一些基于肌电监测的可穿戴手势识别设备也逐渐兴起，如 的手势传感腕带 ，在医疗、运动中都已有广泛应用。生理参数的监测生理参数的监测包括血压、生物声以及对肺容量、肺通气等呼吸功能的监测等。血压监测血压监测分有创和无创两类，有创导管法通过其前端压力传感器测量血压；无创测量方法较多，传统的气袖式测量因无法做到无感而难以应用，而柯氏音法、测振法、示波测定法等均有相似问题 。在传统示波法测量血压基础上，对气袖改良升级成为一种新思路。欧姆龙的 手表和华为 手表 在测量血压时使用了示波法，虽然腕带设计的加压气袋可充当袖带，但仍无法做到无感和长期监测。基于光电容积脉搏波描记法传导的血压测量通过光源与接收器将发射的光信号转换为电信号，从而得到脉搏波信号，依据脉搏波传播速度和血压间的关系得到血压 。该测量方法无需充气袖带作为辅助，极大提升了可穿戴设备的舒适度与便携性，但其对测量部位仍有一定限制，要求放置在对人体动脉和脉搏感知清晰的部位，测量精度依据算法不同而难以统一。恒定容积法同样使用光电容积描记法，一般选择手指测量部位，通过对指套的压力控制和对脉搏波的测量得到血压 。该测量方法精度较准，但因指尖压力问题而难以长期使用。最新研究中，等 设计了一款可对身体多部位血压监测的可穿戴超声装置，厚度薄、拉伸性强。目前，大量可穿戴血压测量设备均采用光电容积法测量血压，但只能大致反映血压变化趋势，测量精度难以保证。生物声监测生物声监测包括心音、肺音等。心音由心脏跳动产生，通过对心音监测可实现对相关疾病的监测 。传统心音主要通过听诊器和心音图机进行监测，电子听诊器的出现让心音的诊断更为便捷。在电子听诊器基础上，可穿戴便携心音监测的研究着重于心音传感器的设计和对干扰噪声的处理。等 设计了一种基于声压传感器阵列的心音探头，结构轻薄、成本低，可方便地嵌于衣物等进行心音监测；另一种方法是通过压电传感器实现心音监测，陈正豪 设计了一款可穿戴心音监测装置，选用压电陶瓷作为感应器件，利用经验模态分解法对心音信号进行去噪处理，使其精度和使用可靠性均有一定提高。肺音的监测常和心音一起，但需对数据进行特殊分离处理 。而针对肺癌患者，尤其是肺切除手术后的患者，更需精准地对其肺音数据进行处理和建模。呼吸功能监测呼吸功能监测主要针对肺容量（包含潮气量、肺活量等）和肺通气参数（包含呼吸频率、肺通气量等）监测。其中，多数参数要求对气体容量和压力进行测量，一般通过专门的呼吸量计取得 ，但这类仪器需要使用者在一定时间对仪器感应端呼气，因而难以在可穿戴设备中应用。目前，对呼吸功能测量的可穿戴设备研究主要分为面罩型和体型两类。林健等 研制的面罩型可穿戴呼吸测量设备，通过热式流量传感器实现呼吸频率、潮气量等的测量，实用价值高，但佩戴舒适性和持久性较低。而体型呼吸测量设备通过对胸腔和腹部的机械运动来获取呼吸频率、呼吸方式等数据，如张鹤等 研制的基于纳米摩擦电发生器的可穿戴式无线呼吸监测装置，通过腹部周长变化感知呼吸。与面罩型和体型的测量装置不同，冯雪团队 研发的类皮肤柔性呼吸监测器可贴于鼻下，通过对呼出气体的测量，实现对呼吸频率、振幅、呼吸方式的监测，但在气体流量方面的测量有一定缺失。等 在超声传感器的研究中，通过感知超声波发射端和接收端距离的变化，完成对肺活量的监测。针对肺癌患者的肺康复监测肺康复作为一种物理治疗方法被广泛应用于各类肺部疾病患者恢复肺功能的过程，其包含运动训练、营养护理和心理支持等过程 。在慢性阻塞性肺病患者中，坚持长期的肺康复训练有利于患者改善呼吸功能，提高生活质量 。而针对肺癌患者，术前开展肺康复训练有利于减少术后不良反应和并发症；术后的肺康复训练同样可以帮助患者改善呼吸功能和肺功能 。肺癌患者肺康复锻炼过程中，主要关注对肺功能的监测，其体现在运用专门的肺功能监测仪对患者用力肺活量、一秒用力呼气容量和残气量等进行测量 。膈肌在呼吸过程中有着重要作用，肺癌患者尤其是肺切除手术的患者，其呼吸功能与膈肌功能下降密切相关 。膈肌功能测定主要通过力学指标、电生理和影像学检测生物医学工程研究第 卷方法完成。力学指标通过侵入式胃 食道囊管测量跨膈压；电生理检测通过对膈肌肌电信号检测获得膈肌运动情况；影像学检测主要通过超声成像对膈肌移动度、膈肌厚度和膈肌增厚率等参数进行测量 。通过对膈肌肌电信号的监测能更好地辅助观察患者的呼吸情况。吴晓维 设计的表面膈肌肌电信号测量系统实现了对膈肌肌电信号的测量，其技术在可穿戴设备研究中具有借鉴意义，但在表面肌电信号评定膈肌功能上，还需更深入的研究。此外，通过超声成像对膈肌移动度、膈肌厚度和膈肌增厚率的测量，可更直观地评估膈肌功能，对肺切除术后预测术后并发症可发挥重要作用 。超声成像系统主要由超声探头、模拟前端数据采集模块、处理器和显示器组成。模拟前端数据采集模块和处理器在集成方面已有大量研究，体积可被压缩至较小程度。超声探头主要以压电材料换能器、电容式微机械超声换能器和压电微机械超声换能器为主。其中，电容式微机械超声换能器因其制造简单、体积小，成为便携式超声成像设备（见图 ）使用的主流。图 蝴蝶网络超声成像设备 可穿戴超声成像是便携式超声成像的延展，其应用面向于患者而非医生，使肺癌患者能够实现膈肌功能的日常居家监测，也能在进行肺康复训练中，通过监测膈肌的运动等来评估患者肺康复训练的效果和动作是否达标，将患者肺康复训练的过程和结果数据化，在实现正反馈激励和监督患者的同时，也能辅助医生治疗。在针对超声成像部位和图像诊断方面，因缺乏医生诊断，急需建立一个专业数据库。可穿戴也对超声设备的柔性提出更高要求，等 设计的用于成像的柔性压电超声换能器，在复杂表面成像上表现较好，可满足当前需求。总结相较于医学测量，可穿戴设备在监测各生命体征时面临更多挑战，无论是佩戴的舒适性和持久性，还是工作环境的复杂性，都对其提出了更高要求。柔性电子技术的蓬勃发展为可穿戴设备带来了新的研究方向，更多轻巧和精密的柔性传感器在可穿戴设备中应用。在前沿的可穿戴技术上，柔性电子纹身在生物电位监测和传感方面已有较多研究及应用，也促进了可拉伸性、自供电性可穿戴设备的研究 。目前，市场上针对生命体征监测的可穿戴设备大多集中于心率、血氧或心电方面，其在监测范围上还有待拓展。在对肺癌患者呼吸功能评估上，通过可穿戴超声成像实现对膈肌功能的日常监测，对其治疗具有重大意义。参考文献 ：，：，（）：李桂兰，陈柳，晏宝林 早期呼吸功能锻炼对肺癌患者术后肺功能康复及生活质量的影响 实用中西医结合临床，（）：吕兰，李旭，邱明链，等 肺康复在肺癌手术中的应用进展 中国康复医学杂志，（）：王保华 生物医学测量与仪器 版 上海：复旦大学出版社，胡广书，汪梦蝶 生物医学信号处理研究综述 数据采集与处理，（）：何乐生 基于肌电信号的人机接口技术的研究 东南大学，：牛群 可穿戴心电监测装置设计与实现 哈尔滨工业大学，：，：何庆华，吴宝明，彭承琳 表面肌电信号的分析与应用第 期周虹均，等：可穿戴设备在肺癌患者肺康复的应用 国外医学（生物医学工程分册），（）：，：，：白旭东，迟戈，金丹，等 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