医用可穿戴柔性电子设备质控技术研究

王权，李佳戈，郝烨

中国食品药品检定研究院 光机电室，北京 100050

引言

柔性电子技术是将有机或无机材料电子器件制作在柔性或可延展基板上的新兴电子技术。柔性电子技术确保了产品良好的贴合性、稳定性，即便在恶劣的条件下依然能够采集到较高质量的信号。柔性电子技术最早出现在20世纪70年代。早期的柔性电子技术应用于显示领域，但当时的柔性电子技术并未形成体系[1]。2000年，柔性技术已经在医学健康领域获得了广泛的研究，如有研究机构已研制出柔性医学采集设备或测量设备，这些设备已经能够实现基本的预期功能，如温度监测，但是受限于材料学和传感器技术的发展水平，当时的柔性设备的灵活性和柔韧性还不能够及时响应人体日常肢体形变带来的信号变化，即尚未达到医疗领域的精度要求[2]。随着材料科学、传感器以及机械加工领域技术的发展，目前柔性技术已经发展成为一个系统多样的知识体系，并广泛应用于以主动健康、精准医疗为特点的现代医学领域，并以轻质、便携、灵活形变的特点广泛应用于可穿戴、可植入的医疗设备[3-4]。柔性技术的发展使我们对人类生命健康状况的检测由被动变为主动，通过长时准确的检测生命体征参数，可以更准确便捷地判断人体的健康程度。

柔性技术在医疗领域的应用大致可以分为2个类别：监测和治疗。监测应用主要是指对生理指标、生理电信号和生物化学信号等与人体相关的健康指标的监测。其中健康指标包括：体温[5]、血氧[6-7]、血压[8]、心电[9-11]、脑电[12-13]、电化学指标[14]等，如采用柔性电极穿戴在体表进行胎心监护的柔性胎心仪[15]。除了监测健康状况，柔性技术还广泛应用于电刺激等治疗设备中，如基于电刺激反馈进行控制的义肢[16]，透皮传输的神经刺激线圈[17]等。随着柔性电子产品的不断迭代以及算法的优化，以温度贴、多参数监测手表、植入式柔性设备等产品为代表的一系列新型医疗器械逐渐应用于临床。柔性技术在可穿戴领域应用广泛，伴随着老龄化社会发展、亚健康人群增加的趋势，将进一步推进可穿戴设备及柔性技术在医疗领域的发展[18-22]。通过调研，我国具有注册证的可穿戴或柔性电子产品如表1所示。

表1 我国具有注册证的可穿戴柔性电子产品

可穿戴柔性电子进一步保障了人们的健康，一定程度上改变和优化了人们的生活方式，但是由于可穿戴柔性电子技术的创新性，其配套的产品检验检测标准尚未出台，目前对可穿戴柔性电子的质控评价体系还需进一步完善[23-25]。基于可穿戴柔性电子大多应用于生理信号采集或者电刺激的这一特点，目前国内的主要国行标适用于可穿戴柔性电子的标准以通标和电生理/电刺激类的性能标准为主[26-30]，见表2。

表2 可穿戴柔性电子设备适用标准举例

本文针对柔性可穿戴产品的质控工作，通过分析风险、搭建测试平台、提出改进思路等，旨在为产业发展提供科学可靠的质控评测方案建议。

1 风险分析

可穿戴柔性电子产品相对于传统技术具有不可替代的优点，如尺寸小、重量轻、与人体组织贴合性好等，但同时，其具有的技术特点也不可避免地将引入材料稳定性、结构可靠性等新风险，如果不做好这方面的风险质控评价，很容易产生传感器失灵、设备故障等问题，直接影响器械本身的整体质量和使用效果。

此类产品引入的风险主要包括3个方面。首先是机械风险。柔性电子器件在可穿戴医疗上的应用，其主要优势是新型复合材料柔软贴合的物理特性，能更好地适应人体软组织的形态变化。这一柔软可延展的电子特性替代了原有的硬性电路板结构，在带来结构优势的同时，也带来了复杂形变可能引入的新风险。例如，大范围弯曲扭转带来的断裂风险等。

其次是电学风险。电学性能是柔性电子产品实现临床功能的基本性能，也是质量评价的核心指标。考虑到使用环境复杂可能导致增加机械形变的可能性，进而增大电学性能失效的风险；可穿戴设备由于长期与人体接触，人体组织的汗液、血液等会对电子设备特别是柔性电子设备造成侵蚀，进而带来漏电等电学风险。另外，考虑可穿戴设备尺寸有限，因此微小传感器和电极使用广泛，电极尺寸可达到微米级别，增加了电学评价的难度。

最后，可穿戴柔性电子设备作为一类使用环境复杂、与人体长期接触的特殊类医疗器械，还有一些重要的风险不可忽略，如生物相容性评价是风险评价中的重要一环。作为制造商，除了考虑对成品的生物学评价，更应该加强对设计阶段的材料、结构分析，避免产生生物学风险；考虑到产品除了应用在医院环境，还可能应用在家庭、社区等医院外场合，电磁兼容风险和可用性风险评价也是不可缺少的，一般应该在设计阶段和成品阶段分别开展对应的可用性评价。在电磁兼容评价中，也要参考产品的临床使用条件确立对应的基本性能并开展符合性验证。

2 质量评价

考虑到柔性电子器件可以在多种应用场景下使用，为了针对这种新型电子器件开展全面、完整的多场景下质量评价，必须建立符合产品特性的机械性能、电学性能测试方案。

2.1 机械性能评价

为了更贴合使用表面，柔性电子器件不同于普通产品，在柔性和可拉伸性方面具有突出的优势。这一特性一方面让柔性产品更加贴合体表，轻便舒适；另一方面也带来了弯折和断裂的风险。因此，对柔性器件的弯折、拉伸、扭转等机械形变进行评价具有重要意义[31-33]。传统的机械检测装置通常只能提供单一的测试方法，如单一的振动、拉伸、弯曲测试等。针对柔性器件应用领域的扩大以及因此导致的各种可能出现的机械形变，需要进行多种类型的机械试验。为实现全面可靠的评价，需要开发必要的机械测试工装。以人工视网膜产品为例，此类产品通过采用柔性电极刺激视神经的方法帮助患者重新获得基本视觉。人工视网膜产品一般包括图像处理系统、无线数据传输系统以及微电极刺激器等。其中，微电极刺激器是核心部件，兼具了柔性器件和微型器件的特点，使用环境面临的机械风险包括手术中的拉伸弯曲。为了对上述风险进行评价，必须搭建可用的机械试验平台（图1）。

图1 柔性电极机械实验平台

通过图1中该平台的多轴联动，可实现柔性电极的拉伸、弯曲或组合机械性能评价。考虑到人工视网膜这类产品的特殊性，其机械风险主要源于手术植入过程中不可避免需要进行多次拉伸扭转，以便将产品固定到位。这其中主要的2个失效风险点是电极部分和线圈部分。以弯曲疲劳实验为例，首先针对上述2个风险点，通过调研已上市同类产品的手术数据，并根据分析手术影像，统计出平均每台手术线圈弯折次数≤20次，弯折幅度＜30°，电极的弯曲次数约500次，弯折幅度＜30°，其中30°为电极和线圈处硅胶材料的自然状态下最大弯曲角度。故据此针对不同部位设计了对应的实验条件，设计产品的抗弯曲疲劳实验条件如下：线圈弯曲50次，幅度30°，电极弯曲1000次，幅度30°，在该疲劳条件下试验后的产品应能保证正常的工作状态。产品成品在该条件试验后，产品可以保持之前的工作状态。产品的工作状态确认分为2个部分进行，首先在显微镜下检查电极和线圈的外观，状态良好，未出现断裂；其次，通过电学导通测试，可发现产品的导通状况良好。

2.2 电学性能评价

医疗器械的有效性评价关注被评价器械在正常使用时是否能够达到设计时的预期目的。对于采用柔性电子技术的可穿戴有源医疗器械的有效性评价，主要是根据其设计的预期用途，对其电学性能等进行分析评价[34-37]。

传统有源医疗器械大多采用金属和半导体材料进行电信号传导，这类材料一般硬度较大且尺寸偏大，不适合应用在长期的可穿戴的场景中。柔性电子技术具有柔软且可导电特点，可根据需要设计合适的尺寸和形状，更方便实现与人体组织的紧密贴合，适合应用于长期性的可穿戴设备。但是这类新技术的应用，为电学评价带来了一些新的挑战，如对于柔性微小器件，普通导线连接很难实现，如何搭建测量电路成为难点；可穿戴设备大多采用Wi-Fi、4G等无线传输方式完成数据交换和功能实现，还需要考虑针对无线传输补充开展评价和质控[38-41]。

以人工视网膜产品为例，人工视网膜产品是利用微小电极刺激视神经补偿视觉功能的一类设备，这类设备的柔性结构可以紧密贴合人体器官，电极尺寸在微米级别，电极个数在几十至上百个。这类产品的电学评价无法采用直接电路板方式进行，同时考虑电极的分布和结构比较特殊，无法采用通用接口电路，在实际检测中可通过定制的高密度导通电路以及电化学方式开展电学质控，此外还需要开展针对Wi-Fi等无线通信技术信号传递有效性的评价。人工视网膜电学性能评价平台如图2所示。

图2 人工视网膜电学性能评价平台

在电学实验中，除了应考虑可穿戴设备接口需要特制工装的特殊性之外，还需要根据实际临床使用环境来确认产品的实验条件。以导通实验为例，建议选择厂家确定的临床典型电流值和频率值作为产品的测试条件，导通测试也应最少进行3次，以降低实验中随机性误差。而在无线传输实验中，实验模型为了尽可能贴近真实使用环境，应将被测电极放置于0.9%氧化钠溶液中模拟人体组织液环境，同时根据临床应用中发射器与接收线圈之间的位置关系确立相对位置，在尽可能接近实际使用条件的前提下评价产品的无线传输特性。根据实际检验工作的经验，这种接近临床的实验条件才能更准确反映出产品的真实性能。

综上所述，对于没有具体性能标准可供参考的可穿戴设备，质量评价工作一方面要从风险分析的角度全面考量使用环境可能引入的电学、机械、生物学、电磁兼容、可用性等风险；另一方面要根据临床的具体使用条件确立实验条件，以完成对这类设备全面、准确的质量评价，使实验结果更能反映产品的真实性能。

3 总结

我国的可穿戴柔性电子器械并无成形的检测装置和标准体系，质量评价工作起步较晚，但是作为一种广泛应用于主动健康领域的新型有源医疗器械，可穿戴柔性电子产品又展现出了不可替代的产品优势。随着行业需求的日益增长，目前大量的可穿戴柔性电子产品出现，对检验评价工作提出了挑战。本文针对可穿戴柔性电子产品介绍了目前的质控情况，结合此类产品特性及临床需求，分析容易出现的风险点，提出针对风险点的质量评价建议。为今后该类产品的研发提供了一定的思路，也为更好地开展质量评价工作提供了参考。