下一代生物傳感器總體概述(圖1)
下一代醫(yī)療正通過生物兼容的可穿戴、可攝入、可植入傳感器實現(xiàn)無感化健康管理,即利用柔性材料、自供能技術(shù)和多模態(tài)數(shù)據(jù)融合,在人體自然活動中完成生理指標的實時、原位、長期監(jiān)測,徹底消除人為干預(yù)需求,實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)測與日常生活的無縫整合。
圖1 人體多模態(tài)生物信號傳感分布圖
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可穿戴傳感器總結(jié)分析
穿戴傳感器通過超薄柔性材料(如石墨烯、PDMS)和微流體結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)與皮膚機械兼容的貼附,持續(xù)監(jiān)測體表生命體征(心電/血壓)、運動狀態(tài)及汗液生化指標(葡萄糖/乳酸),并借助AI算法實現(xiàn)多參數(shù)融合分析(圖2)。
關(guān)鍵維度 | 內(nèi)容要點 |
部署位置 | 皮膚表面(表皮電極、電子皮膚) |
檢測指標 | -生命體征:心率、血壓、血氧、體溫 -生理參數(shù):運動姿態(tài)、肌電/腦電信號 -生化指標:汗液中的葡萄糖、乳酸、電解質(zhì) |
設(shè)計挑戰(zhàn) | 機械兼容性(柔性材料)、抗環(huán)境干擾、多信號集成 |
創(chuàng)新方案 | -島橋結(jié)構(gòu)(提升拉伸性) -微流體汗液收集(防污染) |
應(yīng)用場景 | 慢性病管理、運動監(jiān)測、居家醫(yī)療 |
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可攝入傳感器總結(jié)分析
可攝入膠囊利用胃液電池、磁控定位及可降解封裝材料(如殼聚糖/水凝膠),在消化道內(nèi)自主完成生理參數(shù)(pH/壓力)檢測、靶向給藥甚至微創(chuàng)手術(shù),突破傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡侵入性限制(圖3)。
圖3 膠囊傳感器工作示意圖
關(guān)鍵維度 | 內(nèi)容要點 |
部署位置 | 胃腸道(胃、腸道) |
檢測指標 | -生理參數(shù):pH、壓力、溫度 -生化指標:氣體(O?/CO?)、微生物組、出血標志物 -影像:內(nèi)窺鏡成像 |
設(shè)計挑戰(zhàn) | 定位精度、動力供應(yīng)(電池/胃液供電)、生物安全性(防滯留/降解) |
創(chuàng)新方案 | -磁控定位(毫米級精度) -可降解外殼(殼聚糖/冰丸) -自定向給藥膠囊 |
應(yīng)用場景 | 胃腸道疾病診斷、靶向給藥、活檢 |
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可植入傳感器總結(jié)分析
可植入設(shè)備聚焦免疫兼容性(如兩性離子涂層)和微納集成,直接嵌入腦組織/血管等深部環(huán)境,原位監(jiān)測神經(jīng)電信號、顱內(nèi)壓及血糖等關(guān)鍵指標,結(jié)合生物燃料電池實現(xiàn)長期自供能運作(圖4)。
圖4 用于各器官健康監(jiān)測的植入式物理傳感器
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傳感器關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)
技術(shù)方向 | 可穿戴 | 可攝入 | 可植入 | 共性挑戰(zhàn) |
材料兼容性 | PDMS/PET柔性基底 | 可降解聚合物(PCL/水凝膠) | 兩性離子涂層/肝素修飾 | 長期生物相容性 |
能量供應(yīng) | TENG/PENG(運動供能) 太陽能 | 胃液電池/磁耦合供電 | BFC(葡萄糖供能) RF無線充電 | 微型化與持續(xù)供能 |
信號處理 | 多模態(tài)融合(AI算法) | 多攝像頭/超聲成像 | 高選擇性電極(抗干擾) | 數(shù)據(jù)融合與噪聲抑制 |
通信技術(shù) | 藍牙/手機互聯(lián) | RF信號定位 | 皮下電極/遠場RF | 低功耗無線傳輸 |
總結(jié)
生物傳感器通過可穿戴(表皮)、可攝入(胃腸道)、可植入(體內(nèi)) 三類載體,實現(xiàn)對生理-生化-物理參數(shù)的閉環(huán)監(jiān)測。其核心突破在于:
材料革新:柔性/可降解材料解決生物相容性問題;
能源創(chuàng)新:環(huán)境取能(運動/體液)支撐長期工作;
智能集成:AI驅(qū)動多模態(tài)數(shù)據(jù)融合,推動精準醫(yī)療。
未來需進一步攻克微環(huán)境干擾抑制、成本可控性及臨床轉(zhuǎn)化壁壘,最終實現(xiàn)"無感化"健康管理。
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回映產(chǎn)品
產(chǎn)品1:可穿戴閉環(huán)睡眠設(shè)備
個性化可穿戴閉環(huán)睡眠設(shè)備首先對EEG腦電信號 進行實時采集,并對EEG進行PSD功率圖譜轉(zhuǎn)換獲取到腦電節(jié)律Theta波(4-8Hz)以及Alpha波(8-13Hz)最高功率 所對 應(yīng)的頻率,然后基于此頻率作為個性化tACS經(jīng)顱交流電刺激 的刺激頻率進行恒流源輸出進而實現(xiàn)個性化閉環(huán)睡眠治療?
可穿戴閉環(huán)睡眠設(shè)備
基本參數(shù)
采集系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)
采樣率:最高 16KHZ;
共模抑制比:≥ 100dB;
噪聲:≤ 5uV;
輸入阻抗:≥ 1000MΩ;
腦電 EEG:單通道,2~100uV。
刺激系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)
刺激模式:tDCS/tACS/tPCS/tRNS 四種模式靈活可調(diào),tDCS 經(jīng)顱直流電刺激,
tACS 經(jīng)顱交流電刺激,tPCS 經(jīng)顱脈沖電刺激,tRNS 經(jīng)顱白噪聲電刺激;
刺激強度:-2mA~2mA 連續(xù)可調(diào),調(diào)節(jié)分辨率 0.01mA,輸出電流誤差 <=±10%;
刺激時間:0~60min 可調(diào);
刺激頻率:針對于 tPCS/tACS 模式,1Hz ~ 99Hz 范圍內(nèi)可調(diào),頻率步進為 1Hz,輸出頻率誤差 <=±5%;
淡入淡出時間:0~120s 可調(diào),確保刺激的安全性;
脫落檢測:通過實時阻抗檢測分析電極脫落狀態(tài)確保刺激有效性
產(chǎn)品2:基于干電極的32通道腦電采集儀
高質(zhì)量腦電信號采集對于精準識別和分析非癲癇樣異常(如彌漫性慢波、局灶性δ活動)至關(guān)重要。為此可以了解我們研發(fā)的一款32通道可穿戴腦電采集儀,采用高精度干電極采集腦電信號,無需導(dǎo)電膏即可快速佩戴,極大提升了受試者的舒適度和操作效率,特別適合長時間或動態(tài)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。該設(shè)備不僅能通過全覆蓋設(shè)計捕捉全腦電活動細節(jié),還采用了type-C智能轉(zhuǎn)接技術(shù)和抗干擾硬件架構(gòu),有效減少了運動噪聲和電磁干擾對信號的影響,在高原或移動場景中也能穩(wěn)定輸出低噪聲波形。
適用范圍:多通道生理參數(shù)采集
基本參數(shù)
采樣率:≤ 16KSPS,每個通道獨立可控制;
共模抑制比:≥ 120dB;
系統(tǒng)噪聲:≤ 5uVrms;
模數(shù)轉(zhuǎn)換率:24 位;
輸入信號范圍:±375mVpp;
通頻帶:直流耦合放大,保留全部低頻信號;
事件同步輸入:無線同步,時間精度< 1ms;
供電方式:可充電鋰電池;
工作時間:單電池供電不低于 4 小時;
優(yōu)勢:可支持高原環(huán)境采集。
產(chǎn)品3:單通道肌電/心電/皮電采集設(shè)備
單通道肌電采集設(shè)備創(chuàng)新性地采用type-C轉(zhuǎn)腦電電極以簡單輕便的方式實現(xiàn)了單通道肌電、心電、皮電采集,且基于結(jié)構(gòu)與硬件的特殊設(shè)計,支持高原環(huán)境下進行采集。另外產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)采用魔術(shù)貼設(shè)計,方便于全身佩戴。
適用領(lǐng)域:單通道生理參數(shù)采集
單通道肌電/心電/皮電采集設(shè)備
基本參數(shù)
1.模數(shù)轉(zhuǎn)換:24位;
2.通道數(shù):2;
3.示值準確度:誤差不大于±10%或±2μV,兩者取較大值;
4.測量范圍:測量范圍±350mV;
5.分辨率:分辨率≤2uV;
6.系統(tǒng)噪聲:系統(tǒng)噪聲≤1uV;
7.通頻帶:通頻帶為20Hz~250Hz(不包括陷波波段);
8.差模輸入阻抗:差模輸入阻抗大于5MΩ;
9.共模抑制比:共模抑制比大于100dB;
10.工頻陷波器:設(shè)備有50Hz陷波器,衰減后幅值不大于5μV(峰-谷值);
11.工作噪音:工作噪音不大于65dB(A);
產(chǎn)品4:可穿戴情緒識別設(shè)備
可穿戴情緒識別設(shè)備是一個綜合情緒識別平臺。該平臺通過實時采集EEG腦電、EDA皮電、EHOG/EVOG眼電、心率、血氧、溫度、姿態(tài)等生理參數(shù)進行情緒的效價、喚醒度等分析。
適用領(lǐng)域: 認知科學(xué)、運動科學(xué)、工效學(xué)、人機交互、虛擬現(xiàn)實研究、
可穿戴情緒識別設(shè)備
基本參數(shù)
采樣率:最高 16KHZ;
共模抑制比:≥ 100dB;
噪聲:≤ 5uV;
輸入阻抗:≥ 1000MΩ;
腦電EEG:2~100uV;
皮電EDA/GSR:0.5uV~0.2mV,1~100Hz;
血氧SPO2:35-99%;
心率:30-250bpm;
溫度TMEP:-55℃ ~150℃,精度 0.1℃;
眼電EHOG/EVOG:50~3500uV, 0.1~100Hz;
加速度ACC:±2g、±4g、±8g、±16g 范圍可調(diào);
陀螺儀GYR:±250° /sec、±500° /sec、±1000° /sec、±2000° /sec 范圍可調(diào)。
產(chǎn)品5:AR-BCI干電極腦電采集智能頭盔
AR-BCI智能腦控頭盔采用創(chuàng)新干電極技術(shù),通過彈簧式接觸結(jié)構(gòu)(觸角直徑2mm,數(shù)量10-15根)無需凝膠即可穩(wěn)固貼合頭皮,適合24小時連續(xù)監(jiān)測,提升佩戴舒適度和穩(wěn)定性,并能精準捕捉短暫異常放電及區(qū)分正常變異腦電信號如Mu節(jié)律和Wicket波,防止誤診。設(shè)備具備≥130dB的共模抑制比和>1000MΩ的輸入阻抗,有效抑制干擾,確保信號采集高精度與可靠性,同時實時阻抗檢測與脫落提示功能減少漏檢風(fēng)險。該頭盔集成了AR顯示、眼動追蹤和多模態(tài)腦電采集功能,支持同步分析腦電與行為數(shù)據(jù),特別適用于異常放電捕捉和復(fù)雜正常變異腦電信號識別。
適應(yīng)癥:康復(fù)科、神經(jīng)內(nèi)科、神經(jīng)外科、卒中中心、老年科。
AR-BCI干電極腦電采集智能頭盔
基本參數(shù)
交流阻抗:阻抗≤ 1000Ω;
直流失調(diào)電壓: 電壓≤ 100mV;
內(nèi)部噪音: 電壓 <150uv;
除顫過載回復(fù): 變化率 <±1mV/s、除顫后阻抗<1000Ω;
偏置電流耐受度: 電壓變化 <100mV。
-
傳感器
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監(jiān)測
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可穿戴
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