柔性电子技术产品实现远程智慧医疗新模式

陈颖

市场普遍认为医疗是可穿戴设备最具前景的应用领域。随着科技的发展、医学的进步、慢病的高发以及健康意识的回归，可穿戴设备将在医疗领域得到快速发展。目前传统的可穿戴设备，无法满足用于健康和医疗监护所需的高精度传感需求，基于柔性集成的电子系统技术的集成系统具有独特的优势。柔性电子技术的出现，为可穿戴医疗产品提供了最有效的技术途径。

随着大数据时代的到来，当今信息技术的发展方向是以人为本、以移动互联网为主干，充分利用通过各种方式收集的单独个体的海量数据，通过分析加工反馈服务于人类。其中，对于人体体征信息的收集（如血氧、血压、血糖等）是全面了解人类健康的关键一环。

远程智慧医疗的基础核心技术的第一道难关就在于人体生理数据采集。

健康和医疗监护的传感技术研究现状

随着中国逐渐步入老龄化社会，对疾病的防治要求已经由“发病时的治疗”转变为“发病前的预防”。为了达到这个目的，需要对居民做大规模和长时间人体生理参数监测，这对当前生理参数采集医疗器械提出了新的要求。传统的采集手段多依赖于医院里的医疗设备，这类设备存在价格昂贵、资源有限、舒适性差和无法自动处理数据等缺点，这给居民日常健康防护带来了很大挑战。研究用于生理参数采集的可穿戴医疗产品是目前社会的迫切需求。

柔性电子技术的出现，为可穿戴医疗产品提供了最有效的技术途径。柔性电子技术基于特殊的柔性材料、柔性传感器和相关加工制造工艺，可为居民提供涵盖心电、血压、血糖、体温等多种生理参数监控的柔性电子医疗器械，该类柔性器械的优势在于：紧贴人体、测量准确;超柔超薄、佩戴舒适;无线连接、可长时间采集数据并自动处理，因而有望解决当前居民医疗健康防治存在的重大挑战。世界卫生组织在《21世纪的挑战》报告中强调：“21世纪的医学，不应该继续以疾病治疗为主要领域，应当以人的健康作为医学的主要发展方向。”事实上，非传染性慢病（如心脑血管疾病、糖尿病、帕金森病等）现已成为人类健康和生命的主要威胁，是当前社会面临的全球性医疗危机。虽然各国医疗卫生界均投入了大量人力、物力，但从总体上并未能控制住非传染性慢病的发展。为了遏制非传染性慢病的发展势头，医疗模式逐渐从以诊断为主转变为以预防为主，从疾病的治疗和管理转变为疾病的预防和健康管理，从住院方式治疗疾病转变为日常保健方式预防疾病。如果在日常生活中，医生能够实时地获取患者的各项生命体征参数，则会及时准确地了解患者身体状况，为对症下药提出治疗方案起到决定性的作用。但是人类的生命体征信号一般比较微弱，如需实现高效、实时动态地感知、处理和无线传输生理信息等功能，则器件必须具备高性能;同时人体及其组织大多是非可展曲面，实现器件与人体的紧密贴合，并且不影响日常活动，则器件必须具备可延展柔性特点。目前基于无机半导体材料的传统光子/电子集成器件虽具备技术成熟度高、性能好等优点，却因其柔性差，无法实现与人体紧密贴合，不能为患者带来良好体验而难以进行实际的医疗应用。

为解决类似的难题，科学研究者提出了可延展柔性无机电子器件的概念：通过在无机半导体衬底上制备功能单元，将其剥离后集成到柔性衬底并通过波浪状导线互连，从而实现可延展柔性集成电路及仿皮肤电子器件（如图1所示）。相关成果极大地拓展了传统无机半导体器件的设计理念，并连续在Science上发表[1-3]。随后引起主流媒体《经济学人》的报道，深入探讨可延展柔性无机器件对未来人类生活的深远影响[4]。为了能够使得器件与人体有很好的接触，元件间的互连导线主要采用蛇形或自相似的曲线结构，这可以在有限空间中提高器件的延展性，亦可降低器件的刚度[5-9]。清华大学科研团队从力学理论层面系统研究了薄膜网格几何结构中互连导线的屈曲变形机理，并提出了直杆型互连导线设计指导准则[10]。通过蛇形互连导线连接多种功能的无机元件，器件的拉伸刚度与皮肤的刚度非常接近，无需在器件上采用粘结剂就可将无机元件与皮肤完好的贴合，粘附后的柔性电子器件可跟随皮肤一起变形[11-13]。利用微纳制备方法通过光刻显影的方式刻蚀设计的应变传感器的图案，通过转印的方式制备出具有生物兼容性的超薄柔性应变传感器、柔性压电换能器、类皮肤柔性温度传感器以及光电材料性能调控器件[14-16]等柔性器件。基于无机薄膜材料的结构分块化设计，以及与柔性基体的结合为无机器件由脆性向可延展柔性提供了新的途径。国内已研制出室温制备柔性SAW的技术，可以在试纸、塑料片或金属箔上制备高性能的柔性SAW、SAW柔性传感器和微流控器件，并应用于温度、湿度、应变等传感和LOC（lab-on-chip）的柔性系统[17-19]。通过柔性电子技术实现贴合人体复杂曲面的原位实时和高精度的生理参数的传感，已经成为技术发展的趋势。

根据《2006-2020年国家信息化发展战略》：信息化是指充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共享，提高经济增长质量，推动经济社会发展转型的历史进程[20]。尽管手机与移动互联网提供了信息的处理、传播与显示手段，已有的心率带、运动型智能手环等产品提供了人体生命特征信息实时收集的手段。但是由于其测量功能少、集成度低、精度差、舒适性差，只适合对短时间运动时人体的心率、步伐等简单信息的收集，无法用于医疗和健康评估，更无法实现对慢性病人、老年人监护等进行7×24小时、全方位生命特征信息的收集。目前传统的可穿戴设备，无法满足用于健康和医疗监护所需的高精度传感需求，基于柔性集成的電子系统技术的集成系统具有独特的优势。

柔性集成系统研究与产业现状

通过柔性集成，综合利用物理世界、信息数据以及人类社会资源，通过人与信息融合交互完成任务，是未来信息社会的核心。高效实现这一目标的系统物理底层必然需求具有可延展柔性新型集成器件，以突破传统刚性无机器件无法与人体柔性组织集成的瓶颈。将集成器件与人体组织紧密贴合，可以极大地增强人类感知、认知和活动的能力。

近年来，柔性电子集成器件成为新型微电子技术研究的热点，是适应人与信息交互融合发展趋势的革新性技术。将柔性衬底与传统无机半导体技术完美结合的柔性电子集成器件，兼备可变形与高性能优势。如图2所示，可延展柔性无机器件技术突破了传统集成器件发展和应用的思维理念，为人与信息交互系统提供更可靠的人体信息，是构筑人机交互系统物理层的基础单元之一，对于推动国防、医疗等领域的发展以及提高人类生活质量具有重要的战略意义。

无论从产品的分项构成需求还是从全球市场规模来看，我国对集成器件的需求巨大，而且将长期维持刚性增长。然而，我国拥有的集成电路自主知识产权很少。因此，在新一轮信息技术发展趋势下，急需发展具有中国自主知识产权的新型集成器件[21]。

柔性电子技术并非取代当前的半导体技术，而是对其的进一步拓展。柔性电子技术利用柔性衬底及其特有的转印制备技术，不但可以实现不同无机功能器件的集成，而且可以使新型光子/电子集成器件具有传统半导体器件不具备的柔性，将集成芯片拓展到更贴近人体和可穿戴等柔性环境，为微电子和集成电路设计提供了一个新的维度。是半导体技术在医疗健康、物联网等领域新的增长点。如果在柔性电子器件设计方面能够掌握自主知识产权，则可以使我国电子信息产业在围绕核心原创性新型信息器件的竞争中占有一席之地，提高自主创新能力与国际竞争力，在新一轮的产业浪潮中，迎头赶上并实现弯道超车。

另外，柔性电子产业背后蕴含着巨大的经济效益和不断发展的巨大市场，据2013年权威机构IDTechEX统计预测，未来10年柔性电子产业的经济效益将呈指数增长趋势。如图3所示，2023年市场规模将接近800亿美元，最终的市场份额将达到千亿美元量级[22]。美国NSF BioFlex、NIH-NSF、DARPA等组织分别提出了“探索柔性电子生物应用”、“健康管理与柔性器件生物集成”、“探索器件可延展柔性设计”等项目;欧盟科技框架也提出了“协作可延展柔性电子计划”。此外在工业界，IBM、三星、索尼等国际公司也纷纷开始寻找将柔性电子工业化的途径。

柔性电子技术的研究及应用必将对人类的生活产生巨大的影响，其不仅仅是一项科技革新，更是信息工业的理念和产业布局的改变。

柔性电子传感器及系统应用于人体健康监测之后，将极大地拓展人体生理数据获取的时间范围，可实现24小时连续监测人体生理状态。基于长时间动态获取的人体多个生理参数进行疾病诊断和健康风险，是对传统医疗诊断和预防模式的颠覆。同时，这些海量生理数据的分析和诊断模型的建立则是一个巨大的挑战，也是医疗人工智能领域的重大机遇。

当今世界正处于格局重新调整的振荡阶段，不同经济体正以不同的方式力争在新一轮的格局调整中获得最大利益。在这次格局的博弈中，世界各国无论是采取政治手段、经济手段、文化手段还是军事手段，其核心都是通过创新提升国家综合竞争力。产学研合作促进已经成为提升我国协同创新能力最基本、最重要的手段，关系着我国综合国力的提升。在此背景下，将产学研合作促进政策提升为国策是我国政策设计的必然选择。

目前柔性电子技术方面的研究和教学工作已经在我国多所顶级高校全面展开，而柔性电子器件的产业化工作在我国还尚未大规模启动。浙江清华柔性电子技术研究院柔性制造实验室的健康管理云平台项目以研发具有独立自主知识产权的柔性电子器件为目标，为柔性电子器件向产业化转移奠定基础、探索方向，是完成柔性电子技术产学研合作促进的必要途径，是中国占据世界柔性电子器件市场优势地位的桥头堡。

目前柔性集成系统面临一些关键技术难题，包括批量生产和应用方面，具体涉及：

·高性能无机传感器件及电路柔性化集成设计和批量化生产技术，特别是跨尺度异质柔性集成工艺方法。

·面向柔性传感器的数据处理技术。对于柔性传感，特别需要数据的容错处理、数据融合、采集数据的可靠性判断、低功耗传感的设计以及提高传感精度降低噪声干扰的转用算法。

·柔性器件的无线无源监测设计。柔性系统需要长期电源供电，如果能够采用无线无源技术，实现传感节点的无电源支持，将极大地拓展柔性传感系统的应用。柔性系统将开展面向柔性器件的远距离无线无源传感技术。

“健康管理云平台”系统将重点聚焦跨尺度异质柔性集成工艺方法这一核心关键难题开展研究，在原有的自有知识产权专利技术和多科研经验的基础上，实现可以批量化生产的跨尺度异质柔性集成工艺和方法;实现基于连续长时间人体生理参数的人工智能分析模型和自学习算法，实现对疾病和健康状态的精准动态分析。利用柔性生理信息采集模块采集的人体长时间温度、心电、血压、呼吸、血氧饱和度等数据，结合诊断信息，基于深度学习技术建立历史相关的健康/疾病分析模型。应用建立的分析模型，开发针对长时间监测的疾病/健康诊断软件，能够动态地对人体的生理健康参数智能地给出评估。

柔性电子技术应用于远程智慧医疗的经济前景

未来随着社会消费水平的提高、人口老龄化进程的加速、人民健康保健意识的提升，我国医疗器械市场的销售额将保持较快的增长。智研咨询报告显示，到2016年底中国移动医疗健康市场规模达到74.2亿元。2018年，中国移动医疗健康市场规模将达到184.3亿元。智能可穿戴技术的快速发展，极大地迎合了人们的医疗健康日常检测需求，让生理体征检测变得更加便捷。

2016年中國60岁以上的老年人口数已经达2.3个亿，预计到2030年中国的老年人口可能达到3亿，其中空巢老人家庭比例或将达到90%。从整个养老产业市场规模发展趋势来看，估算到2025年将达万亿的规模。具体来说，通过老人配戴项目开发的智能穿戴设备与家庭其他移动智能医疗设备，可以实时观察和精准采集老人血压、血糖、心电图等各项生理数据，并利用人工智能技术进行智能化分析，给出针对性的医疗健康护理建议方案。

“浙清柔電”的健康管理医疗云平台系统通过可与人体皮肤紧密贴合的柔性医疗健康电子产品，进行基于医疗精度的人体生理数据采集，致力于实现长期、无创、实时的采集和监测体温、脉搏、心电、心率、血压、血氧、血糖等人体生理体征数据，采用互联网、物联网、大数据等先进技术，以云服务模式，实现个人健康管理服务。系统由云平台、医生端、个人端组成，功能主要包括健康数据采集、监测报告管理、监测预警提醒、事件记录等。通过互联网全面对接国内顶级医疗机构和团队，可实现动态健康管理和远程医疗无缝对接;可形成动态健康档案、实现网上问诊、远程医疗等。

由于柔性电子产品具有测量精准、柔软轻薄、贴合舒适等特点，健康管理云平台系统在技术上有创新性和颠覆性，在精准性、舒适性及连续性等方面大大领先于市场上同类产品，具有广阔的市场前景。

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