基于移动手机平台的生物医学传感器技术

基于移动手机平台的生物医学传感器技术大连理工大学DalianUniversityofTechnologyBiomedicalsensortechnologiesontheplatformofmobilephonesLinLIU,JingLIU：清华大学医学院生物医学工程系,中国北京100084,邮箱:jliubme@tsinghua.edu.cnJingLIU：中国科学院化物所中国北京100190摘要生物医学传感器目前已经被广泛的使用在各种各样的生物医学实践当中，并在疾病检测、诊断、监测、治疗、健康护理等方面扮演了重要的角色。但是，大部分生物医学传感器和他们相关的平台通常不是很容易能够获取，对于家用而言不是太贵了就是太复杂了。作为替代，使用移动手机的新技术逐渐改变了这样一个情况。几乎所有人都拥有的移动手机通过与各种生物医学传感器结合提供一个独一无二方式促进了医疗护理。不仅如此，系统的建立很便捷而且成本低。在这篇论文中，我们描述了生物医学传感器技术发展水平的概况。对基本原理做了一个简要的介绍，并且介绍了几个新例子或概念。重点尤其放在基于移动手机平台的生物医学传感器的创新上。一些挑战问题，包括可行性、易用性、安全性、和效率都提及了。在电子和机械技术的帮助下，可以预见生物医学传感器和移动手机平台的全面结合将会为即将到来的全民医疗带来一个光明的前景。关键词生物医学传感器，普适技术，移动手机，复合系统，健康管理1.介绍16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术在现代社会中，人们越来越关注他们的健康医疗。随着不同学科的相互渗透和医学科学的进步，生物医学传感器在实践中扮演着一个至关重要的角色。现在，在生物医学测量和数据处理过程中传感器成为了一个基本组成部分。就像一个要根据病人生理信息诊断的医生的感官一样。到目前为止，已经发展出了各种不同的生物医学传感器，包括物理，化学，生物传感器。这些都被用于采集数据，检测，监测和更多医疗相关的方面。对于住院，门诊以及在家疗养设计生物医学传感器去采集病人的数据是必需的。同样，监测也需要，特别是患有慢性疾病的人和生活在例如采矿、潜水、登山、和一系列军事安全活动等危险环境下的人。生物医学传感器能够监测重要的人体功能和状态。例如血糖水平，心率，和有毒物含量。此外，当达到非正常的值得时候先进的算法可以触发警报。随着生物医学传感器变得越来越简单，易穿戴和舒适，在一些健康相关的应用和场景下，它们将被用作关键元件。通过使用新的技术，有可能设计出小型化，智能化，无害化和有性价比的具有全面功能的传感器。尽管在某些特定环境下使用的生物医学传感器和测量平台有点昂贵和复杂，但是它们是必需的而且有用的。很明显，为了建立大众医疗，应该努力去改变这种状况。另外，一个基于移动手机的大的解决方案很有必要。由于手机的便携型，有用性，相对低费用的特点，几乎每个人在日常生活中都要用到它。因此，如果基于移动手机的集成化设备去实现生物医学传感器的功能，事情会变得更好。事实上，很多基于移动手机的传感系统已经做了示范。使用无线传感网络技术，手机可以被用在远程监控系统通过使用一些空气质量检测传感器去监测室内空气环境。将来，基于手机的医疗监测系统将被设计出来以用于慢性病的观察和住院，门诊，家庭疗养环境。通过对单独的简单的心电诊断算法的改进，手机可以执行数据的收集和处理任务。手机和传感器的复合系统能够识别人类的行为，知道什么活动是对老年人有帮助。有许多其他基于手机的系统使用生物医学传感器去实现在医疗和其他相关领域方面的功能。这种复合系统在生物医学工程领域有着光明的前景。的确，不仅在生物医学传感器自身也在移动手机与传感器结合起来仍然存在一些问题。可行性，可靠性，安全性和精确性是需要考虑的重中之重。还有手机和传感器之间的电器连接的障碍也要克服。挑战在实现基于手机传感系统的机械技术方面更为明显。向这样一个符合系统努力一定会在研究和应用方面创造许多机会。建立这样一个系统会导致电气和机械技术迅速发展。考虑到应用，这个平台将会很容易建立以人类身体行为的基本力学表征的形式。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术在这篇论文中，我们首先对生物医学传感器和基于手机的传感系统做一个简要的介绍。然后，我们回顾一些生物医学传感器的基本知识并且举几个使用新方法和新应用的新型生物医学传感器的例子。基于手机的传感系统是一个重要的章节，通过理论分析和工程实例我们精心写作了这一部分。不仅如此，在学习复合系统的过程中一些需要被解决的关键技术及问题也被提了出来。最后，我们总结基于手机的传感系统的优点和发展前景。2.生物医学传感器的基本概念众说周知生物医学传感器被用来将一种信号的量例如温度、压力、速度等等转换成另一种量，通常是电信号。生物医学传感器获取表示生理特征的信号并且将它们转换成电信号。因此，生物医学传感器为生物和电子系统的连接服务。并且必须对两方都没有副作用，因为两方对传感器的表现都起了重要作用。根据被测量来看，生物医学传感器主要被归为三个类型，物理，化学和生物传感器。例如几何，热学，力学，液态变量，使用物理传感器测量。在这些传感器的应用方面，可能用于测量肌肉位移，血压，体温，血流，脑脊液压，骨生长，磁场和辐射。至于化学传感器，被测的化学量用于识别特定的化学成分，分析各种化学成分的浓度，监测人体的化学反应。尽管生物传感器是特殊的化学传感器，它们仍然被单独归为特别重要的一类，生物传感器因免疫传感器，血糖仪，“化学金丝雀”，“共振的镜子”，生物芯片和生物计算机出名。不仅如此，随着生物恐怖主义潜在危险的增加，在这方面生物传感器作为低成本高效的器件被用于日常的应用中。人们也能从他们各自的立场看生物医学传感器。因此，它们可以被大致分类依据是否被用于临床诊断和治疗和是否被用于生物医学研究的数据采集。另一方面，生物医学传感器可以依据它们如何用于患者和研究课题来分类。例如无创型，接触型，最小伤害，非伤害等等。普通传感器的基本原理是通过某个特定的传感单元收集被测数据和执行被测量和电信号的转换。在被测量和电信号之间有着确定的关系。一帮来说，一个传感器由传感单元，转换单元和信号调节单元组成。对于生物医学传感器来说最基本的，最独一无二的是传感单元。为了实现不同的功能，要考虑被测的生物系统与传感器之间的干扰，特别是植入材料，因为生物系统可能对传感器的性能有影响。传感器的封装也要考虑到不仅要保护在腐蚀环境工作的传感器也要允许传感器的部分与生物体真实环境接触，也要考虑到传感器的尺寸和结构。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术生物医学传感器有一个特定的测量目标，那就是人类身体的生理参数。因此，生物医学传感器必须有一些特质，例如易用性，可植入性，可靠性，安全性，可延展性，和适应性。对于一些应用，功率问题，低电压电子和电池效率，无线技术。基础结构的优化提高了传感器的性能。3.生物医学传感器的发展趋势有一系列的生物医学传感器已经被使用了很长时间，像血压计，呼吸流量计，体温计，血糖监测仪，心电图仪和一些化学电极。它们都很受欢迎且经常被使用。这里，我们结合例子描述生物医学传感器的发展趋势。3.1智能化和微型化智能化和微型化一直都是生物医学传感器的发展方向。因为生物医学应用常常要求一个化学传感技术的范围去监测人类身体环境，人们已经结合微传感器和微型软硬件系统形成智能化系统（图1），这种系统在一个致密结构中可能做一些信号加工，数据处理，电源管理，热量控制，和交流。通过这种方式，生物医学传感器可以很好的被使用在航天空间和人工环境。例如机器人学习和认知。许多优秀的生物医学传感器正在或者已经向微型化转变已实现更好的性能。例如以导电性为基础的分压（）传感器（图2）。它通过一个可透气的薄膜从水溶液中分离被测物来测量电导并且有一个平面的和圆形的以宏指令记录原型的桥型设计。由于它被植入血管微型的传感器会导致少量组织损伤，因此我们需要考虑更多的因素包括分压值。现在，微电子机械系统和微型机械技术已经被用于缩小传感器尺寸。人们已经试图使用一个无线可弯曲的微机械的被动压力传感器去监测血压以检测腹主动脉瘤并且在犬类模型活体中做实验。通过使用二氧化硅和一个尺寸只有的传感元件来组装的光纤微型压力传感器已经研制成功并且被用在气囊式的导管中以达到更加舒适和安全的测量压力。另外，一个压力传感系统包含一个微型的使用硅成键技术制作的电容型硅传感器和一个检测集成电路。薄厚膜处理由于这些薄膜特殊的性能和相对于微加工技术而言较低廉的生产成本，用于物理和化学传感器的制作时非常方便的。例如，用一对薄膜电容性电极组成的介质亲和力微型生物传感器被用于实际应用。长期持续的葡萄糖监测和一个使用厚膜技术测量经皮氧分压的生物医学传感器以获得快速和精确的响应来确定病人的呼吸状况。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术图1：在文献[9]中展示的基于贴片的传感器平台至于化学和生物传感器，在生物医学应用中帮助做化学分析和临床诊断的微型芯片已经出现。微型芯片能够很好的用于监测乳腺癌细胞的滋生、微流体和纳流体泵在化学分析中展现更好的效果、植入式医疗器械、药物传输系统和临床诊断系统。通过这些技术，小型和相对低成本的生物医学传感器使它们对生物医学应用非常有用。图2：一个新型用于测量二氧化碳分压[10]的传感器，左边是平面波导传感器，右边是圆柱形传感器。3.2新颖性可以肯定，有太多的生物医学传感器我们不能一一列举，不仅如此，还有大量新出现的种类。至于新颖性，我们可以讨论新材料，方法，科技或者生物医学传感器的新应用。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术对于新材料，我们把重点放在液晶材料、智能凝胶和纳米复合材料的应用上。用液晶材料制作的生物医学传感器（图3）正在被开发以用于光谱学，成像学和显微学，以及为光学探索生物系统带来新技术。液晶材料会帮助开发更广泛的先进的生物医学材料和设备。用于一系列应用和主要的化学或者生物检测和分析中的智能型聚合物凝胶构成的新一代生物材料正在被开发。使用新型方法，我们可以制作对被测物敏感的水凝胶。像PH敏感型和葡萄糖敏感型用于特殊的分子识别。水凝胶阵列被用来分析在自然环境中的复杂的细胞行为，并且我们可以使用这些“聪明的”聚合物凝胶把微型压力传感器转换成新型的化学机械传感器来做更多的分析。研究者已经发现，对于葡萄糖检测，玻璃碳电极可以被酚藏花红功能性的多层牛皮纸制碳纳米管纳米复合材料薄膜以及镀氧化锌的纳米铜粉薄膜电极改良，由于表面等离子体能够增加金银纳米粒子表面能量传递，因此良好的减缓了过氧化氢和氧气反应的电催化活性，可能被用于开发生物医学应用，例如高度敏感的生物传感器和药物传递。图3：一种化学液晶生物医学传感器SPR是一种用于监测在非常接近传感器表面（金）的生物分子发生相互作用的表面敏感的光学技术。SPR有着广泛的应用领域，例如分子工程、食品分析、临床诊断、蛋白质体学、环境监测、细菌学、病毒学、细胞生物学、药物传递、冲突检测等等。一个光纤SPR系统可以以实时的方式检测附着在光纤尖端的活细胞的反应。SPR已经能够实现对血型的高精度检测。其他的生物医学设备像环形光电二极管装在印刷电路板用来测量脉搏血氧和光量传感器使用微型发光二极管用来测量脑血流量都很新颖和有用。有时，检测的意图可能更有想象力。汗水成分的改变可以提供一个人的健康和生理状况的信息。呼吸丙酮的检测和分析可以用来确定血糖的水平并且控制能转化为酮的物质的摄入量。在活体中足够精确的实时NO监测是十分重要的，特别是针对病理生理条件下，例如局部缺血。3.3无线传感器网络16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术无线传感器网络（WSN）一定是生物医学传感器一个主要发展趋势。事实上，无线传感已经被成功的应用于各种各样的应用中，包括环境监测，结构监测，监视和应用于临床环境特别是患者或者慢性病人，例如高血压、糖尿病、睡眠呼吸中止症。从那时到现在，越来越多的人开始研究或者构筑这种网络来提高人类的健康护理和帮助他们的生活。无线传感网络含有低功率嵌入式运算器，被称为微粒，它使用传感器（这里是生物医学传感器）从物理世界和生物医学实践中收集测量值。它也能够通过无线通信和处理系统持续监测病人生理上和环境状态。尽管具体的设计有别于其他，然而WSN的工作框架或多或少一样，如图4所示。图4：无线传感器网络的框架对于无线生物医学传感器网络（WBSN），有很多种生物医学传感器在用户身边（患者），包括温度传感器，血压传感器，血糖监测仪，心电图仪，化学传感器和可植入式生物传感器，它收集人的生理参数的数据和直接传输这些数据或者通过一个特定的传输单元传到网络系统。可行的和可靠地网络需要用来支持数据传输。其次，另一方面，换句话说，服务器端，在服务器系统和数据库系统的帮助下，将执行必要的数据处理。在物理世界，这些都是为医院或者其他的医疗中心和专家服务的。这些数据被传回用户那里或者存储在服务器上。应急机制也要加入当健康的东西出问题的时候。除了生物医学传感器的设计之外，对于设想一个无处不在的传感器网络而言无线通信和电池管理是至关重要的因素。人们正在努力为使传感器是更加高效的无线通信开发新的方法。IEEE16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术802.15.4低功耗短距离无线电已经和ECG或EEG信号传感器一起被用于无线医疗和保健的连接点。IEEE1451提供标准的接口和规格来达到共同的数据测量和传输的要求。在临床步态分析中，无线人类步行运动追踪系统使用的可穿戴超宽带广播收发器能够在室内外测量。它为长期监测和流动性疾病评估提供了大范围合适的精度。除了设计低功耗的新设备，在WBSN中通信协议需要节能。在权衡了低传输功耗、分组转发、最低能量包转发协议的利弊之后，使用最低功耗传输数据包可以保证一个高的收包率。它在没有牺牲收包率的前提下降低了能耗。数据采集协议的算法像集群式协议，链式协议和混合链式和集群式协议已经被评估来找到高效的传输协议。心驱式的媒体访问控制，一种新颖的时间划分基于多址访问的媒体访问控制（MAC）协议已经被提出来通过利用心率信息执行时间同步来改善WBSN的能效。id-less传感器节点路由算法被提出来实现高包传输和低平均包交付延迟。当WBSN付诸实践，软件实现节点和服务器之间的连接必须登录账户。支持向量机的算法（SVM）-基于多通道分类活动监控日常生活就是一个例子。此外，WBSN在医疗保健方面主要的需求和问题像可靠性、生物相容性、可移植性、隐私和安全性、可恢复性、射频辐射安全以及生物效应控制任然需要通过更多的实验来实现。今天的家庭医疗进展正在成为主要的卫生保健供给形式。它要求医疗服务贯穿整个服务领域以便使个人能够更加重视预防和管理自己的健康。在生物、电子、化学、机械等多科学的协助下，无线生物医学传感器网络将会在提高人类健康水平和减少慢性疾病的流行，例如心血管疾病，高血压和糖尿病等扮演重要的角色。3.4便携式或者可穿戴性如上所述，为了提高生物医学传感器的性能，小型化是一个趋势。构建生物医学传感器网络的可移植性也很有必要。更小的尺寸是有必要的，人们可以很方便的使用它们或者直接将它们穿戴在衣服上。这里，我们列举了更多的例子来显示便携性和可穿戴性的优势。简洁的可穿戴传感器外加小型长效电池为长期测量皮肤电活动，温度，肌电活动。并且光电容积描记法提供了在更长时间尺度上采集数据的方法和个人可以通过穿戴或者脱下传感器来很容易的控制数据的采集和传输。随着在照明和可弯曲显示领域的应用，有机发光二极管（电子）可以作为光源被使用在传感器用于传感成像和在生物医学应用中用于低成本的传感器输出显示。通过将可穿戴无线健康监测系统和动态控制压缩技术相结合，适应性和可移植性两者都能实现在用于下肢静脉溃疡的治疗的可穿戴血管健康监测系统。无处不在的传感应用的一个新的标志是包含一个自定义集成电路，一个无线电射频能量接收装置，监测人体运动，常见的睡眠障碍或者体温的智能装置。它适用于人体。我们可以使用手持装置检测和分析我们的呼吸，或者把一个压电薄膜传感器放入身体来测量脉搏。此外，通过高性能材料和先进的技术制作的传感器可以被用于制作用于个人健康护理的智能衣物。一般来说，没有明确的定义在上面我们说过的一种趋势和另一种趋势之间。除了智能化，微型化，新颖性，无线，便携性和可穿戴性，生物医学传感器倾向于低成本，这将有利于普通大众。4.基于手机的生物医学传感器技术现在，移动手机不仅仅是通信的工具，它也有着各种功能，意味着出现在人们日常生活中的各个领域。感谢技术的迅速发展，手机集成或者嵌入各种传感器能够使新的应用贯穿各个领域。例如卫生保健、社交网络、安全、环境监测和运输。它们体积小，无线连接，便携和对低得成本，基于手机的传感器符合生物医学传感器的发展趋势。这催生了一个新的研究领域。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术部署一套由个人携带的精密的化学传感器，手机可以在直接的空气检测中扮演重要的角色。如果手机带有GPS功能，我们能够更多的理解到城市空气污染如何影响个人和群体。通过集成或者与生物医学传感器的连接，移动手机能够提供医疗个性化。现在，我们讨论基于手机的生物医学传感器的应用和研究。4.1手机检测手机与生物医学传感器的结合，大量的检测工作或许能在手机上进行。像血糖，心电图，运动或者故障检测。血糖监测是非常重要的，不仅对于糖尿病患者也对其他做常规检测的人而言。产品已经在市场上发布（图5）。当检测血糖时，使用者可以从手机背面拉出一张测试纸，然后滴一滴血在纸上，内置的传感元件和软件分析血液并且通过手机输出数据处理的结果。如果结果不正常就应当采取适当的措施，这对糖尿病患者来说特别重要。测试纸是否在手机内并不重要，因为需让手机中的传感器检测纸上的血液。同时，传感器不一定在手机里，但是一定通过有线或者无线的方式和手机连接。分析软件以及必要的数据库扮演了重要的角色。此外，手机也许能够检测血液中的其他的信息。图5：测量血糖的手机（a）GlucoPhoneLG5200(CDMA)[75](b)LGKP8400[76]（c）与爵士血糖监测仪连接的iphone不用说，心电图检测对于大量的慢性疾病患者和老年人而言是重要的。传感器管理电路板如图6（左）所示，包含了有心电电极的心电信号传感器。获得的信号通过短距离无线通信或者蓝牙以预定的速率传送给一部手机。ECG信号显示在手机屏幕上。通常，心率和心率失常分析是必须的。它通过在手机中的简单独立的ECG诊断算法来分析。在心电图移动程序中，使用者指示获取数据的开始和结束。100Hz的采样率是可能的。数据被传送到保留在医疗中心的数据库中或者去访问中心。医生能够管理ECG并且如果需要的话可以与患者沟通。研究者也做了一个简单的平台（如图6所示，右），在这个平台中手机的麦克风扮演了一个听诊器来为手机采集心音数据。许多现今的手机嵌入了加速度传感器、震动传感器或者角度传感器。它们可以被用于生物识别、运动检测或者障碍物探测。以一类诺基亚手机为例，它能够检测人们运动的速度方向，这将被进一步用于障碍检测，这可能有利于人们的康复和有利于身体有缺陷的人。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术图6：基于手机的ECG处理平台（左）[]和检测心音的手机（右）[]16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术图7：手机成像（超声波，阻抗，显微镜）(a)使用手机的超声波成像[84](b)手机成像中的阻抗[85](c)集成了显微镜的手机和成像结果[86](d)4.2手机成像16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术在医疗中成像是一种有效的方式，然而大多数成像设备是沉重和昂贵的。众所周知，很难把CT或者MRI带到一个没有电源的农村社区。世界上很大一部分人口是不能接触到医学影像技术的。现在人们试图通过手机来实现医学成像功能。图7展示了一些案例。智能手机超声成像技术带来了获得医疗服务的最简方法。一个通过USB与超声探测器耦合的手机，组成了一个手掌大小紧凑的移动计算平台和医学成像设备。经过研究人员努力优化探针设计和运行的各个方面，从功耗和数据传输速率到图像形成算法。现在有可能构建一个能为肾、肝、膀胱、眼成像的智能手机以及USB超声探头结合的的系统。研究人员现在已经使人们携带探头、移动手机和动态成像成为现实。图7（b）示范了一个用于组织阻抗检测的移动手机复合系统。系统的数据获取设备包含2种类型的的凝胶代表了被正常组织环绕的乳腺癌肿瘤，它基于阻抗成像方法。与手机连接的设备运行一个Windows操作系统，它能够读取数据和执行处理算法。在这个新的医学成像概念中，手机是核心组件。而且它也能够通过USB,GSM,CDMA或者其他的网络协议来传输数据。一定要考虑手机和设备之间的兼容性。人们已经试图在手机上集成显微镜让他们一起工作来实施简单的显微成像。通过手机显微镜获取高分辨率的图像，通过亮视场照明，疟疾和血液检测镰状细胞性贫血都能够被检测。手机显微镜系统可以被证明是潜在的诊断工具，特别是对于新生儿的镰状细胞性贫血的检测由为有用。在资源匮乏的国家患者出现症状之前识别和治疗他们。在手机上执行的肺结核的荧光成像和自动图像处理既提供了一个直接有效的滑动分析，也提供了长期潜在的自动微生物和病原体识别。为了保证和提高系统的质量，可以通过软件和算法来提高手机中的成像传感器。4.3多功能手机传感器人们往往倾向于在一个手机上集成多个传感器来实现多功能。这里我们讨论的一个例子涉及到角速度传感器，红外传感器，加速度传感器，压力传感器。皮肤电阻传感器和脉搏描记传感器。它们一起工作来收集物理、环境和生物信息。手机收集数据和基于它的安全策略发送一个消息到一个或者多个服务。我们可以尝试在手机上集成更多的生物医学传感器。举个例子，ECG传感器，血糖，温度，，丙酮传感器可以被加到移动传感平台来形成一个以手机为中心的移动医疗系统。然而，在传感器和手机之间没有数据交流的桥梁，即使他们已经拥有足够的存储和处理能力。PSI主板，一个小的扩展模块通过一个标准的MMC/SD插槽连接了躯干传感器网络和可获得的商用手机。它允许研究人员使用这些额外的接口来扩展手机的功能。使设备很简单的成为这些身体传感器的中心。很明显，这里的用户接口对于预期的应用程序是至关重要的。它应该对于人们是友好的。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术图8：手机多传感器4.4以手机为中心的传感器网络常见的传感器和生物医学传感器都被谈及了。毫无疑问，网络化也是移动手机传感系统必然的趋势。越来越多的人试图构建以手机为中心的传感器网络。图9说明了以手机为中心的传感网络的体系结构。在整个系统中，各种各样的可穿戴型生物医学传感器形成了身体传感器网络，它们和手机连接或者集成在手机中。人体的生理信息包括ECG信号，血压，体温，呼吸，脉搏，或者运动，都能通过相应的传感器获得数据。在软件和硬件的帮助下，手机和传感器网络形成联系，数据被手机收集，在这里完成基本或简单的数据处理和分析。手机可能运行程序之后在屏幕上显示结果。手机也可能传送数据到远程服务器（医疗中心，医院的专家）来完成复杂的分析。手机使用数据通信意味着可以连接Internet,Wi-Fi,WAP等等。发送的数据可能用于扩展服务中心的数据库或者在做了更多的分析之后在发送回来以使人们了解自己的健康状态。这将有益于对患者的监测。对于手机传感系统，采用正确的方法来安排这些传感器工作是很重要的。做必要的分析和使用友好的用户界面。在整个网络中手机扮演者重要的角色。不仅仅是在传感部分，也在数据处理和传输过程中。这里，我们建立了表一来简要的说明一下如上所说的基于手机的生物医学传感器的性能和组成部分。正如“移动服务进化2008-2018”所说，移动技术在发展中国家和发达国家都要影响的方面就是医疗。手机技术缩短了连接的时间和距离，并且让医疗生态系统的参与者减少了成本和错误，增加了生产力，联系和效率来得到更好的生活。除了上面谈到的，其他的手机传感系统以后也可能会发展。通过在手机安装嗅觉和味觉传感器，人们可以得到一个实时的手持数据采集系统来检测食物以及周围的空气状况来更好的控制饮食或者了解环境。通过手机摄像头，使用图像处理方法的身体呼吸状况检测的嵌入式监控系统可以实现或者检测呼吸速率。它对夜间睡眠监测尤为有用。同样的，与非约束睡眠监测系统，算法，手机的结合可能被用于心跳，呼吸甚至是打鼾，睡眠呼吸中止或者是身体运动的无创监测。此外，手机可能利用重力传感器照顾母亲和孩子。尽管上面的论文在讨论传感器的时候没有提及手机，我们认为在今后这些传感器可能会通过和手机的结合来更方便和实用。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术图9：移动传感网络的体系结构5.发展移动手机传感系统的挑战众所周知，移动手机传感系统的优势得到了迅速的发展。然而，对于进一步的研究这里仍然有许多的挑战。在这一节中，我们选择性的讨论一些重要的点。检测算法。许多时候，移动手机检测不仅仅是从传感器收集数据也要处理数据。对于心电图检测，手机可以提供最基本的信息包括心跳速率和异常情况。对于血糖检测，血糖值以及这些值什么时候输出。一些智能手机有分析算法，例如基于智能手机的自动QT时间间隔测量系统。通过可穿戴传感器捕捉的ECG信号在手机中处理。尽管处理结果需要使用蜂窝网络发送到网络服务器让心脏病专家分析。这个系统已经缩短了数据采集的时间而且方便了使用对象不用常去实验室。我们从中可以学到如果可以在手机在中安装独立的程序，分析将在用户端完成。数据传输和专家分析对于一个完整的检测结果而言不是必须的。事实上，现在基于手机的传感器无法完成复杂的分析。首先，移动电话不像电脑那么智能，另外，连接的传感器无法达到足够的精度，因为它们可能是简化的复合系统。这将是产品推广的障碍，人们试图改善算法，也许通过网络的在线分析在将来会被证明是更好的方法。成像和传输。在一些基于手机的传感系统中，手机通过摄像头或者外部成像设备获取图像，在屏幕上显示原始的或者处理后的图像。手机的另一个作用就是移动医疗中用于图像传输。包括X射线，CT和MRI图像在医院中几乎已经有了共同的传输格式，命名为DICOM。应用于手机中的传输格式应该被发展。这需要用于远程医疗。手机通过GSM网络传输医疗图像已经在努力。相关的工作包括获取，显示，发送算法或者软件。通信协议。移动手机适合传感网络的一个原因就是它们可以通过各种网络像GSM，WAP,或者WIFI和其他的设备或者医疗中心交流。此外802.15.4低功耗短距离无线电也利用接传感器的手机。目前人体对于通信性能的影响正在研究中。手机的通信功能扩展了它在移动传感系统中的应用，而且在远程医疗中特别有用。不同的通信有不同的特点。然而，我们认为如果可能的话，统一的协议会更好。顺便说一句，可行性，可靠性，安全性，网络的能量损耗也应该注意。用户界面。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术当人们使用基于手机的传感器的时候，方便和简单是很吸引用户的。因此，的在手机上运行的软件有一个友好的用户界面是必须的。它通过简单的操作提供了完整的功能和控制。这可能不是很难解决的算法问题，但是不容易被不同的人群青睐。此外，许多用户可能是老年人或者残疾人。现在的手机软件开发平台是各不相同的，导致软件普遍的质量较差。现在仍然不清楚一个通用平台是否会被建立。通信接口。我们可以看到一些基于手机的传感系统中，一些传感器被嵌入在手机中，另外一些是在外部的。我们知道iphone有许多嵌入式传感器，并且手机本身就作为传感器来阅读和分析数据。通过这种方式，手机就是整个传感系统。带一些小尺寸的东西，它很容易携带。然而，我们更喜欢带外部传感器的系统。因为如果传感器嵌入在手机中，用户必须购买新的手机来得到传感系统，价值不低。然而如果条件允许的话，人们可以自由的更换外部传感器。至于有着外部传感器的系统，手机获取数据的接口是至关重要的，感谢蓝牙技术在传感系统中的应用。移动手机能够无线的和高效的获得数据。针对多传感器平台，找到一个标准的接口可能是一个重要的研究方向。在这种情况下，相应的控制算法和控制设备需要被开发出来来实现手机组织传感器实现更好的性能。机电技术。我们已经讨论了许多应用在手机平台的生物医学传感器。然而，他们中的大多数仍然在被研究或者只是复合系统的架构或概念。在实际中，电气和机械因素需要被考虑到。在实际系统中，必须确认不同模块之间的通信是正确的来确保这些模块之间的通信。事实上，在开发复合系统的过程中许多挑战适合机械技术密切相关的。其中一点就是微型化，没有微型电子机械系统（MEMS）就不可能减小零件的尺寸，就像前面提到的传感器，它通过使用硅的微加工和传感元件的焊接来应用于实际的气球导管来简单安全的执行压力测量。手机的紧凑型摄像头模块的发展是另一个使用微机械技术来减小尺寸的例子。接下来是通信协议，我们有提到手机使用不同的通信协议通信，这可能有点麻烦。一个开发灵活的可重构手机装置的替代方法就是从一个标准切换到另一个标准。通过这种方式，MEMS有希望成为一种有前途的解决方法，可以提供低功耗的可调组件并且兼集成电路处理。手机和生物医学传感器的复合系统也有很多，无论生物医学传感器使用什么方式和手机连接，也不论是电气连接还是嵌入式，为了实现组合系统，机械可靠性需要被加强。不管怎么说，为了实现基于手机的生物医学系统组装的可行性，可靠性，安全性，最小化和低成本，机电技术的支持总是必不可少的。6.结论生物医学传感器，例如温度，压力，化学包括血糖，丙酮，生物电极，ECG，EEG等等，都密切的关系到一个人的健康。由于他们在医疗中的重要的作用，先进的新颖的生物医学传感器不断地出现，它们可能会智能化，微型化，新颖，无线，便携和可穿戴。然而，许多的生物医学传感器是复杂的和昂贵的。这阻碍了普通人接受良好的医疗服务。在另一方面，基于手机的生物医学传感器已经被提出来迎合这方面的趋势，他们是方便的并且相对成本较低。复合系统可以被开发用于血糖或者ECG检测，用于成像或者用于多传感器平台来监测用户的生理信息。或者在移动医疗和远程医疗中构建一个以手机为中心的传感网络。它将使来自世界各地的人们获益。事实上一些产品已经被投入市场并且获得了很多关注。当然，挑战，像分析算法，通信协议，和交互接口。要面对它们，机电技术需要更多的被考虑到。基于手机的传感系统的发展将发过来导致机电技术的飞跃。另外，越来越多的研究者正在努力寻找新的方法来提高系统的性能。16 基于移动手机平台的生物医学传感器技术可以预期，基于手机的传感系统进一步成果，医疗信息意识，临床数据收集和保存，早期疾病检测和远程监测，甚至是全球化的医疗保健供给，以及生物医学应用的其他方面，将被推向一个新的时代。参考文献：略。16 –0–