综述：基于生物电信号的人体健康监测
2026-01-25 17:05:38   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

医疗保健一直是吸引全球关注的重大问题。根据世界卫生组织（WHO）的数据，心血管疾病已成为全球主要的死亡原因，糖尿病、高血压、心脏病发作和癫痫等许多其它疾病，也在对人类健康造成负面影响并导致过早死亡。因此，医疗保健需要从被动应对向全面预防转变。所以，主动检测生物电信号是非常必要的，并且应以低功耗、低成本、可靠且便捷的方式实施，以促进疾病的早期诊断。随着材料科学和集成电路技术的进步，用于检测、处理和分析生物电信号的生物传感器，在科学研究和日常生活中越来越受到关注。

生物传感器通常包括生物受体、换能器（将生物反应转换为电信号）和电子系统（通常由放大器、滤波器和数据采集器组成）。生物传感器正迈向第三代，其电子转移效率和灵敏度显著提高，多学科研究推动了生物传感器的发展，使其朝着低功耗、无电池、高可靠性以及对用户日常生活干扰最小化的方向发展。此外，越来越多的生物传感器与传统射频（RF）通信相连，并集成到可穿戴设备中，形成人体互联系统，以提供更全面的实时医疗保健。这使得生物传感器电路的战略性设计成为关键焦点，进而能够高效检测并处理生物信号。

用于人体健康监测的生物传感器概览

现有的综述文章已经深入探讨了各种类型生物传感器的电极、制造、材料、机制和应用。然而，在生物传感器电路的设计考量方面，现有文献仍存在明显空白。此外，关于如何针对这些考量来解决设计问题的策略，也缺乏深入的探讨。

据麦姆斯咨询介绍，为了填补这些空白，沙特阿卜杜拉国王科技大学和英国赫瑞-瓦特大学的联合研究团队全面介绍了用于检测生物电信号的生物传感器的电路设计考量、策略、挑战和见解。相关研究成果已经以“Towards bioelectric signal-enabled human healthcare monitoring: state-of-the-art, design strategies, challenge, and future”为题发表于npj Biomedical Innovations期刊。

生物传感器的设计考量与挑战

生物电信号概述

生物电信号源自大脑、心脏、眼睛和骨骼肌等器官的生理活动。然而，这些信号通常振幅较低，易受各种噪声影响，并表现出多样的时间和频谱特征。用于采集和分析这些信号的生物传感电路的设计，需要详细了解其生物物理起源、信号特征以及特定应用需求。该综述全面介绍了用于人体健康监测的主要生物电信号，包括：用于脑活动监测的脑电图（EEG）和皮层脑电图（ECoG）；用于心功能评估的心电图（ECG）；用于眼动追踪的眼电图（EOG）；以及用于肌肉活动分析的肌电图（EMG）。

生物传感器的设计考量与挑战

该综述深入探讨了生物传感器的关键设计考量和挑战，包括阻抗管理、降噪、功率效率以及能量收集技术，旨在提升其性能和可用性。

生物传感器的最新进展

研究人员概述了最先进的生物电传感器设计以及用于采集每种生物电信号的关键策略。生物电传感器电路主要由电极、信号处理、数字化和远程传输组成。此外，该综述还用表格总结了生物传感器中采用的电路设计策略。

生物电信号检测的电极放置

眼动监测方法

未来与展望

该综述专门介绍了与生物传感器发展相关或对其有启发的潜在领域，阐述了该领域的最新进展，并探讨了这些领域如何与生物传感器的发展相互作用。

脑机接口

脑机接口（BMI）是一种在大脑电活动与外部设备之间建立直接通信的系统，通常用于绕过受损的神经肌肉通路，以恢复运动或感觉功能。脑机接口系统依赖于对脑电图（EEG）、动作电位（AP）等生物电信号的精确检测，其发展与生物电传感技术的进步密不可分。灵敏度、分辨率和小型化方面的提升，已使脑机接口从简单的信号采集平台转变为用于智能家居控制、娱乐、运动功能恢复以及神经系统疾病（例如帕金森病、癫痫、瘫痪）治疗的复杂系统。

为了进一步扩大神经监测的范围和提高分辨率，尖端的脑机接口平台现在已经在指甲盖大小的芯片上集成了超过10000个电极，旨在“监听”每一个接触到的神经元。下一代设计通过提高电极密度和缩小器件尺寸，将进一步突破这些限制，为更全面、更精确的脑机接口铺平道路。

人体通道通信

人体通信（HBC）技术通过让信号在人体内耦合，同时将向周围环境的能量泄漏降至最低，相比传统的基于射频（RF）的系统，实现了显著更低的功耗，其能效最多可提高两个数量级。除了节省能源外，人体通信通过减少对计算密集型加密方案的依赖，从本质上增强了安全性。因此，人体通信已成为一种极具吸引力的替代射频技术，可用于互联生物纳米物联网（IoB）节点。

展望未来，除了采用单个生物传感器节点的系统外，人体通信通过互联分布在人体上的多个生物传感器节点，在多参数健康监测方面具有巨大潜力。在这类系统中，多个可穿戴传感器节点采用频分复用技术向作为中枢的接收器传输数据。在接收器端，通道滤波器对信号进行分离和处理，然后对其进行解调与后续处理。这种架构有望实现超低功耗的多参数可穿戴健康平台，为日常健康监测和个性化护理的变革性改进铺平道路。

与生物传感器发展相关或对其发展有启发的潜在领域

柔性超薄电子器件

为了克服传统刚性基底的限制，近年来的研究已转向超薄、可拉伸和透气的电子皮肤器件。这些生物传感器制造在仅几微米厚的柔性基底上，具有以下优点：（i）优异的生物相容性，对皮肤的刺激最小，支持长期佩戴；（ii）卓越的可拉伸性，能够与皮肤轮廓无缝整合，适应身体运动，减少运动伪影并提高信号质量；（iii）增强的可佩戴性，具有最小的触觉干扰或用户不适感。

基于超薄、可拉伸且透气的基底构建的生物传感器已成为一个突出的趋势和新兴的研究方向，为下一代可穿戴和可植入医疗系统提供了变革性潜力。

无电池生物传感器

对持续实时健康监测的需求日益增长，推动了可穿戴生物传感器网络的发展。然而，传统的电池供电设计在续航能力、维护以及长期可用性方面存在显著局限性。为了克服这些限制，由环境能量收集供电的无电池生物传感器应运而生，成为一种变革性的解决方案。能量收集技术使生物传感器能够自主地将环境能量转化为电能，从而构建出自我维持、轻便且灵活的生物传感平台，这不仅提高了可穿戴性，还减少了频繁充电或更换电池的需求。近期的进展涵盖了多种模式，包括射频能量收集、压电能量收集、光伏能量收集和热电能量收集。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44385-025-00061-7

延伸阅读：

《面向可穿戴设备的传感器和执行器-2025版》

《可穿戴传感器技术及市场-2025版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》

《电子皮肤贴片技术及市场-2022版》

《脑机接口技术及市场-2025版》

《压电MEMS技术及市场-2025版》