可穿戴健康監測設備的案例
光學 | 仿真技術推動可穿戴健康監測設備領域革新
本文原刊登于Ansys.com：《Revolutionizing Wearable Health Monitors With Ansys Optics in AR/VR and Consumer Electronics》
作者：Kerry Herbert | Ansys高級產品營銷經理
編輯整理：谷晨風 | Ansys高級應用工程師
光學產品、可穿戴健康監測設備與沉浸式技術（增強現實（AR）和虛擬現實（VR）等）的交匯，正在開啟消費類電子產品創新的新時代。可穿戴健康監測設備已從基本的計步器發展為能夠跟蹤心率、氧飽和度和血壓的高級設備。這些設備在我們的日常生活中越來越重要，不僅能幫助用戶掌握健康狀況，而且還可為醫療專業人員提供關鍵數據。
可穿戴健康監測設備的興起
隨著傳感器技術、微型化和人工智能（AI）集成的不斷發展，全球可穿戴健康監測設備市場預計將顯著增長。然而，這一增長，也為設計緊湊、高效且準確的設備，以及提供無縫用戶體驗帶來了挑戰，而Ansys光學產品則是應對這一挑戰的專業級解決方案。
從跟蹤關鍵健康指標到打造沉浸式醫療保健體驗，Ansys光學產品系列處于行業前沿，打造領先解決方案，將先進的仿真技術與真實應用場景相結合。
Ansys光學產品在可穿戴設備中的重要作用
光學系統是許多可穿戴健康監測設備的核心。從測量血流的光電容積描記法（PPG）傳感器到高級成像系統，光學設計的精度對于實現可靠性能至關重要。Ansys光學產品提供的強大仿真工具，可幫助工程師以卓越的精度設計，優化并驗證這些光學系統。
Ansys光學產品為可穿戴健康監測設備帶來的關鍵優勢
微型化：Ansys光學產品可幫助工程師設計緊湊型光學系統，滿足可穿戴設備流暢輕便外形的要求。
展開 西南交大周紹兵《JMCA》鹽響應,三重形狀記憶,兩性導電自愈自粘超分子水凝膠可穿戴設備監測人體健康
【專業背景】
如今，可穿戴柔性電子設備（WFE）為物理和化學監測提供了一種有效的方法，例如檢測人類活動和人類汗液。但是，由于目前報道的大多數柔性傳感器僅專注于監測身體活動，因此有必要開發出可以捕獲人體各種數據以獲取更深入的健康信息的靈活設備。人體汗液是一種重要且易于獲取的體液，其中含有大量化學物質，可以反映個人的生理狀態。因此，可穿戴汗液傳感器的發展為生理和生物醫學監測應用打開了大門。因此，迫切需要開發具有鹽響應的形狀記憶水凝膠傳感器。
形狀記憶水凝膠（SMH）是一類智能材料，能夠在熱，光，電，磁，溶劑和化學環境等近似刺激下從編程的臨時形狀恢復其原始形狀。精心設計以顯示雙重，三重和多重SME。雙重SME可以在兩種形狀之間進行轉換，而三重和多重SME可以在三種或更多形狀之間實現獨特的形狀轉換行為，從而賦予傳感器更易訪問的特性。由于基于SMH的傳感器直接在人體上使用，因此采用溫和且生物環境友好的刺激來激活SME應該是先決條件，在這種情況下，鹽介導的SMH可以很好地滿足傳感器的這一要求。
聚兩性電解質水凝膠可以響應鹽溶液的刺激。在多兩性離子水凝膠中，帶正電和帶負電的基團同時位于分子鏈上。因此，水凝膠中帶相反電荷的基團之間存在靜電相互作用，導致可逆的物理交聯形成。鹽溶液可以通過分別與帶正電荷和帶負電荷的基團結合的鹽離子來破壞這些靜電相互作用。因此，聚兩性電解質水凝膠具有許多出色的功能，例如可拉伸性，自愈性，自粘和導電性以及SME。
【科研摘要】
由多功能水凝膠制成的WFE提供了一種監控人類健康方法。最近，西南交通大學周紹兵教授團隊設計和制造了一種具有鹽介導的三重SME，離子電導率（0.24–3.06 S m-1），高拉伸性（高達1500％）和自愈特性（高達70％）的超分子聚兩性水凝膠。可用作形狀記憶傳感器和應變傳感器。
展開 可穿戴熱管理技術——全球變暖下保持健康的黑科技
越來越多的證據表明，大規模氣候系統的這種變化一直在影響人類健康，包括極端高溫、風暴、干旱和間接傳染病造成的直接死亡和發病。人體的熱量增加歸因于環境中的外部熱量和代謝過程中的內部熱量的整合。暴露在高于平均水平的環境中導致熱量增加迅速增加，會限制人體的熱穩態，并導致各種直接疾病，如心血管死亡、呼吸系統疾病、神經系統疾病和損傷。全球變暖不僅是一個“全球性”的問題，更是一個對我們許多人來說生死攸關的“個人”問題。
02
成果掠影
近期，芝加哥大學徐伯均團隊提出使用創新的可穿戴技術進行局部體溫調節，使人們更廣泛地適應極端天氣。該研究對最先進的熱管理方法和可穿戴傳感技術進行了全面總結，并詳細討論了在不斷加劇的全球變暖環境下利用這些技術預防熱相關疾病的可行性。此外，文章提出了一個創新的健康管理閉環概念，通過可穿戴傳感器實時監測環境和人體生理信息并提供實時反饋，同時利用熱管理技術根據信息進行動態調節，使人體能夠長期保持在健康和舒適的局部熱環境中。這種方法為個人和社會更好地適應全球變暖所帶來的挑戰提供了有益的解決方案。相關研究成果以“Stay healthy under global warming: A review of wearable technology for thermoregulation”為題發表于《EcoMat》。
03
圖文導讀
圖1 全球變暖和其對人體的影響
圖2 個性化體溫調節靜態、被動自適應、主動自適應和主動四個級別的比較。
展開 醫療健康可穿戴產品成為下一波潮流，ADI帶來突破性的模擬前端和電源芯片
可穿戴醫療健康產品興起
據Yole 2020年發表的報告顯示，醫療健康可穿戴產品的市場規模從2019年的3.47億件，會持續增長到2025年的7.54億件，復合年均增長率14%。主要驅動力是醫療和消費類穿戴市場。而這兩大驅動力都有共同的潛在需求——對多項關鍵生命體征的監測，這對相關系統和芯片供應商來說是一次非常大的機遇。
用于遠程健康監護的穿戴設備特點
ADI的遠程醫療和關鍵生命體征監護IC產品定位主要包括三類：遠程監測患者；預測、預防性監測；慢病管理。
他們的應用案例很多，意義重大。
例如，腕式穿戴設備可用來檢測心率失常、房顫。戒指形的穿戴設備可以全天無感知地監測生命體征。佩戴在胸腔上的體戴式醫療貼片能檢測多種類型的心率失常疾病。
慢病醫療花銷最大，通過遠程病人監護系統可以及時發現及管理患者，預防病情惡化，減小或消除昂貴的住院治療費用。例如，可穿戴設備可以連續監測慢性阻塞性肺病（COPD）呼吸疾病，該疾病從全球來看影響著超過2.51億人的生活。
另外，像睡眠窒息癥影響著近10億成年人的睡眠，遠程病人監護可以準確地反饋治療策略的有效性，從而有效減小病癥對生活的影響。
傳統醫療與時尚消費正在融合
對于更多的普通人，越來越青睞可穿戴產品的健康追蹤功能。實際上，現在健康監測逐漸從醫院、診所轉向每個人家里的醫櫥。
展開 
可穿戴醫療設備研發仿真解決方案
可穿戴醫療行業的發展能夠為病人帶來全新的醫療體驗，醫生可以借助可穿戴設備全面地了解病人的身體狀況，而且通過相應的自動化軟件，醫生診療工作的負擔能夠顯著降低。
為了滿足市場的需求，可穿戴醫療設備須具備良好的無線通信能力、長時間無故障工作能力和超低功耗等，使用普通的設計方法，難以使設備在一個足夠小的尺寸上滿足這樣的要求，因而必須依靠仿真軟件完成。
安世亞太在可穿戴醫療領域提供結構、熱、電磁和系統等領域的全面解決方案，可以幫助可穿戴醫療公司解決在醫療應用中所面臨的各種挑戰：如天線的共形和小型化、設備的低功耗、傳感器靈敏度的提升、產品重量降低、熱管理等。
展開 這些是適合女性的運動可穿戴設備 功能顏值都不錯
除了用于跑步以外，Forerunner 630還可以在騎行中發揮特長，通過搭配速度和踏頻傳感器使用，以及全新的HRM-Run 4心率帶，該心率帶更輕、更迷你，可全面檢測跑步或騎行產生的各項專業數據。此外，Forerunner 630同樣加入了智能通知、睡眠檢測及Connect IQ功能。
參考價格：269美元（約合人民幣1786元）
Moov Now
這款手環重量很輕，采用了可呼吸設計，用戶可以根據習慣將其佩戴在手腕或者腳踝上。它能夠在用戶運動健身過程中記錄運動情況，并通過配套應用給用戶提供視覺和聲音反饋，從而指導他們更好地鍛煉身體。
如果用戶在跑步時用力過猛，設備會建議用戶以更輕柔的方式觸地以便保護身體。如果用戶運動過程中動作太慢，設備則會提醒用戶加快運動節奏。Moov Now應用內置了12個經過預編程的7分鐘鍛煉教程。這些教程會在指導用戶鍛煉的同時為他們介紹新的運動技巧，鼓勵他們積極健身。
除了監控運動功能之外，Moov Now還可以扮演睡眠追蹤器和社交平臺的角色。用戶可以利用這款設備與朋友互相聯系，分享自己的鍛煉情況和活動水平。雖然它不能直接監控用戶心率，但Moov Now支持第三方心率監控設備。
售價：59.95美元（約合人民幣400元）；
佳明Vivosport
Vivosport不僅可以跟蹤活動和監測心臟速率，而且內置GPS可以更精確定位位置，防水深度達到5米，可以在游泳池或淋浴時候穿戴。
用戶可以使用Vivosport記錄步行/運行模式，記錄運動類型之間進行交換，自動記錄暫停和自動記錄圈數，使記錄保存更簡單，并且支持跑步，步行，騎自行車，游泳和橢圓訓練模式。
如果用戶讓Vivosport和智能手機一起使用，Vivosport可以作為一個基本的智能手表了，功能包括顯示來電，短信，電子郵件，社交通知和日歷，另外可以作為音樂播放遙控器。
展開 穿透數據迷霧：2025 年可穿戴設備測試的技術突破與實踐路徑
三、自動化測試：產業升級的核心引擎
面對可穿戴設備量產規模的持續擴大，傳統人工測試已難以滿足效率與精度需求。自動化、智能化測試成為行業必然選擇，其核心價值體現在 "降本增效" 與 "品質提升" 的雙重維度。
北京沃華慧通測控技術有限公司作為 3C 自動化檢測領域的領軍企業，正以技術創新推動可穿戴設備測試體系的升級迭代。在可穿戴設備檢測領域，沃華慧通構建了覆蓋 "零部件 - 模組 - 整機" 的全鏈條測試能力，針對可穿戴設備 "非標測試" 需求突出的特點，可根據客戶產品特性、產線節奏和品質要求，量身打造測試方案 —— 從運動場景的機械臂模擬到生物信號的精準復現，從實驗室測試設備到產線自動化檢測站，實現全場景覆蓋。同時提供從方案評估、設備開發到售后維護的全生命周期支持，確保測試技術與產品迭代同步升級。
隨著可穿戴設備向 "健康終端" 加速演進，測試體系的專業性、精準性、全面性將成為企業核心競爭力。北京沃華慧通測控技術有限公司以自動化技術為基石，以場景化測試為核心，正助力更多可穿戴設備企業跨越 "技術創新" 與 "品質落地" 的鴻溝，為用戶提供更可靠、更精準的智能穿戴體驗。
展開 世界上最小的可穿戴設備：可以幫助你預防皮膚癌！
導讀
近日，美國西北大學教授與全球著名化妝品公司歐萊雅（L'Oréal）協力合作，開發出世界上最小的可穿戴設備。這種超薄超輕的傳感器可以穿戴在指甲上，精準地測量人體在太陽光下接受紫外線照射的狀況。
背景
癌癥相關的創新技術，一直是筆者關注的重點。然而，或許很多人沒有注意到，太陽光中也含有致癌物質。雖然人的生命需要陽光，然而過多的陽光照射卻是危險的，甚至是致命的。過度的紫外線照射會引起光致凝結，抑制免疫系統功能，使人反應遲鈍，可誘發眼晴、皮膚、肺方面的疾病。
長時間暴露在紫外線下，會導致DNA受損、皮膚細胞功能喪失以及皮膚修復系統斷裂。任何加深膚色的舉動都會造成傷害，變黑只是皮膚受傷害后做出的反應，每次加深膚色，都會加速皮膚老化過程，并使患皮膚癌的風險增加。隨著時間推移，這種損害逐漸累積，使細胞變異，最終癌化。
紫外線對皮膚癌的影響，已被澳大利亞、日本等國的研究證實。調查人員發現，全球每年有4.8萬人死于惡性黑素瘤，還有1.2萬人死于其他種類的皮膚癌。在這些皮膚癌中，大約90%是由來自太陽的紫外線輻射引起的。
（圖片來源：維基百科）
然而，各種創新技術也試圖幫助人們阻止紫外線帶來的惡劣影響。例如，筆者曾介紹過的可預防皮膚癌的陰涼WiFi。只有當沙灘上的人們逃離太陽光照射，處于陰涼中的時候，才給他們提供無線WiFi服務。
創新
近日，美國西北大學教授與全球著名化妝品公司歐萊雅（L'Oréal）協力合作，開發出世界上最小的可穿戴設備。這種超薄超輕的傳感器可以穿戴在指甲上，精準地測量人體在太陽光下接受紫外線照射的狀況。
（圖片來源：美國西北大學）
技術
該設備輕如雨滴，比一顆M&M豆的周長更短，由太陽能供電，含有世界上最復雜和最精準的紫外線放射量測定儀。
展開 新型柔性薄膜晶體管：有望帶來高性能柔性可穿戴設備！
價值
Song 教授稱，這種GHz晶體管將帶來中等或者更高性能的柔性電子電路，例如真正的可穿戴電子產品。可穿戴電子產品需要柔性，并且很多情況下還需要透明。所以，它將是這項研究的一個完美的應用領域。
此外，氧化物半導體TFT還將在智能家居、智慧醫院和智慧城市等領域扮演重要角色。這項研究將帶來比之前更快、更亮、更柔性的新一代電子產品。
未來
他補充道：“為了促進這些基于氧化物的電子產品進一步商業化，還需要在材料、光刻、設備設計和測試方面進行一系列研發，最后但并非最不重要的是，大面積制造技術。硅技術發展到這一步經歷了幾十年，而氧化物技術正以更快的速度發展。”
“制造一個類似我們的GHz IGZO 晶體管的高性能設備極具挑戰性，因為不僅材料需要優化，還有設備設計、制造和測試方面的一系列問題有待解決。2015年，我們采用氧化物半導體演示了最快速的柔性二極管，達到6.4GHz，它目前仍然保持著世界記錄。所以我們對基于氧化物半導體的技術充滿信心。”
展開 低成本的塑料傳感器：可用于監測人體健康狀況！
當集成到診斷設備中時，它可以快速、便宜、準確地監測健康狀況。這種新設備的設計比現有的傳感器要簡單得多，為細胞水平的健康監測提供了廣泛的新可能性。
目前，研究中采用的那些半導電塑料，正用于太陽能電池和柔性電子的開發，但是尚未廣泛應用于生物領域。
劍橋大學化學工程與生物技術系博士后研究員、論文領導作者 Anna-Maria Pappa 博士表示：“在研究中，我們已經突破了用酶作為傳感材料的傳統電化學傳感器的許多局限。在傳統生物傳感器中，傳感器電極與傳感材料之間的通信并不是很高效，所以有必要添加分子導線來‘增強’信號。”
為了開發他們的傳感器，Pappa 和她的同事們采用帝國理工大學新合成的聚合物作為分子導線，直接接收電化學反應期間產生的電子。當材料與汗液、淚液、血液產生接觸時，它會吸收離子并產生溶脹 ，變得與液體融合在一起。相比于由金屬電極制成的傳統傳感器，其靈敏度明顯高很多。
此外，當傳感器合結合更復雜的電路例如晶體管時，信號會被放大并對于代謝物濃度的微小波動作出響應，盡管設備的尺寸可以做得很小。
傳感器的初始測試是用于測量乳酸水平，這對于健康應用或者病人的術后監測很有用。然而，研究人員稱，傳感器可以經過簡單修改，包含適當的酶，來檢測其他代謝產物，例如葡萄糖或者膽固醇。而且，傳感器檢測的濃度范圍可通過改變設備的幾何形狀來調整。
價值
Pappa 表示：“這是首次采用一種接收電子的聚合物，它可以經過調整用于改善酶之間的通信，從而直接監測代謝物。在這之前，此類監測都無法直接完成。它為生物傳感領域開辟了新的方向，材料可以經過設計與特定的代謝物相互作用，帶來敏感度和選擇性都好很多的傳感器。”
因為傳感器并不是由金或鉑之類的金屬組成，所以它的制造成本相對較低，并且很容易與可拉伸的柔性基底結合到一起，從而實現可穿戴或者植入式的傳感應用。
展開 ：在微針陣列可穿戴設備領域取得新進展
近日，中山大學電子與信息工程學院、光電材料與技術國家重點實驗室謝曦課題組
研發了一種基于介孔微針離子泳的集成可穿戴診療一體化系統，應用于糖尿病的原位監測和治療。
相關研究成果發表在Advanced Science，論文題目為“A Fully Integrated Closed-loop System based on Mesoporous Microneedles-Iontophoresis for Diabetes Treatment”，博士生李湘凌、黃新爍為共同第一作者，謝曦教授為通訊作者。
糖尿病是一種危害人體健康的常見型代謝性疾病。如果不對其進行有效監測與及時治療，將導致各種組織，器官的損害、功能障礙，嚴重威脅患者的健康。常規的血糖檢測要求糖尿病人每天通過指尖采血多次，并根據所測到的血糖值注射適量胰島素調節體內血糖。這種方式給病人帶來許多不便與痛苦，而且只能采集到零散的血糖值。長針頭植入式血糖電極以及胰島素注射容易對皮膚組織造成創傷，引起炎癥、排異反應、感染等潛等隱患。因此，開發出能同時監測血糖并智能治療糖尿病的閉環系統具有臨床迫切性。
無創式可穿戴設備由于無法直接接觸到體內組織液或血液，對于血糖監測尚且無法達到臨床認可的標準。近些年來，由于微針陣列技術具有無痛、微創以及生物安全的優點，被廣泛應用于生物傳感或經皮給藥；但基于微針陣列的血糖診療一體化集成電子器件尚未實現。
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哈工大團隊發明 “體溫發電機”，可實時為LED燈供電，未來穿戴設備不再需要電池？
這并不是天方夜譚，4 月 29 日，《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜志報告了一項創新成果，來自哈爾濱工業大學的科研小組成功開發出一種小型、靈活的裝置，該裝置可以將人體皮膚散發的熱量轉化為電能，且能實時為 LED 燈供電，而且測試表明，該裝置至少可經受 10000 次反復彎曲，性能沒有明顯變化。
這項研究的通訊作者之一是哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授張倩，她的課題組目前主要研究分布在熱電半導體能源材料的電聲輸運調控、熱電器件的設計與效率提升，柔性可穿戴發電與制冷器件等。
張倩表示：“不要低估我們身體和環境之間的溫差 —— 雖然很小，但實驗表明它仍然可以發電，這是一個極具潛力的領域。” 研究小組希望這種 “體溫發電機” 在未來可以取代傳統電池，為可穿戴電子產品提供電力。
把皮膚熱能變電能
近年來，隨著個人醫療健康系統和物聯網的快速發展，越來越多的可穿戴電子產品（如生物傳感器、智能手表、柔性發光器件、柔性顯示器和電子皮膚等）進入了日常生活，這些可穿戴電子設備的功耗通常為 100 納瓦（nW）到 10 毫瓦（mW）不等，由一個微小的電池包模塊來供電，電量耗盡了可以循環充電，如想要提升續航時間，要么去改進電池和低功耗系統的性能，要么發明一種全新的供電方式。
作為傳統電池的一種極具吸引力的替代品，熱電發電機（TEGs）擁有無工作流體、無運動部件、運行安靜、可靠性高、便于攜帶等獨特性能，有望打造出一種創新解決方案。
展開 Rogers院士：苦味軟復合材料用于可穿戴設備，旨在降低嬰兒窒息的風險
用于連續、臨床質量監測生命體征的無線皮膚集成設備有可能大大改善新生兒和兒科重癥監護病房的患者護理。這些相同的技術也可以在家庭中使用，跨越廣泛的年齡范圍，從生命的開始到結束。盡管此類裝置的小型化形式最大限度地減少了患者的負擔并提高了依從性，但它們對嬰兒來說卻是危及生命的窒息危險。
圖1
設計一種苦味的有機硅復合材料作為皮膚安裝設備中的封裝和粘合層。
最近，
西北大學
黃永剛院士
/
John A. Rogers
院士團隊
提出了一種材料策略來解決這個問題。具體來說，
復合材料作為軟包封層和溫和的粘合劑被引入，這些粘合劑釋放出旨在放入口中時會引起強烈苦味的化合物。作為一種安全功能，對這種感覺的反射性反應會大大降低攝入的可能性。所描述的材料系統包括無毒苦味劑（苯甲地那銨）作為彈性體（聚（二甲基硅氧烷））或水凝膠基質中的摻雜劑。
這些復合材料的實驗和計算研究以及苦味劑的釋放動力學定義了關鍵特性。結合到各種無線皮膚集成傳感器中，證明了它們在功能系統中的實用性。這種簡單的策略提供了寶貴的保護能力，與可穿戴設備監測的兒童福利具有廣泛的實際相關性。
相關論文以題為
Bitter Flavored, Soft Composites for Wearables Designed to Reduce Risks of Choking in Infants
發表在《
A
dvanced Materials
》上。
參考文獻
：
doi.org/10.1002/adma.202103857
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