无非是电信号

昨天忙里偷闲,当了一回代课老师,去威尔士亲王医院给硕士生讲了一个小时的课程,题目是Biomedical Engineering in Cardiology。本以为是无偿替教授去讲个课,没想到医学院还正儿八经给我发邀请函,附上学生背景,提了对讲课内容的要求,关键是还有钱收。

我的背景是电子工程,对方要我给一百多位护士和医疗保健人员讲生物医学工程在心脏内科方面的应用。教授给了我一些素材,感觉跟这个题目不相干。于是决定按自己的理解和思路准备课件。从生物医学工程涵盖的范围切入,进入传感技术在测量生理指标方面的应用,再讲一点柔性电子器件的东西。

生物医学工程部分,是现学的,(不要随便找人问建议,即便对方不懂,他也能瞎逼逼出一些东西给你,徒增烦恼);传感技术是近期我搞穿戴设备,跟人解释技术,理清的一些概念,提升护士对医疗器械的理解,防止他们被市面上的穿戴设备欺骗;柔性电子器件部分是给他们一个案例,告诉他们新的传感器是如何研发出来的,新的知识又是如何发现的,算是提供一个思考框架,有助于他们进一步深造。

讲生物医学工程的内容,并不是为了这次课的完整性,而是为了让他们有个概念,知道工作中遇到的哪些问题,可以找生物医学工程师帮忙,同时也让他们意识到,没有任何一个工程师懂全部内容,不要偏信任何人。

至于心脏方面的内容,我没敢班门弄斧,而是套用基本模型,把心脏当成一个泵,通过泵出血液,向全身输送营养物质。为了监测这个泵的功能,可以无创地从血流中测得一些生理指标。比如心率,算是这个泵的工作频率,血氧是血流输送的氧气含量,血压是泵的功率。

整一堂课,围绕一个核心的观念“It’s all about the measurement and interpretation of electrical signals.”(一切都是关于电信号的测量与解读)。这个想法我一直都有,直到我准备这次课件,要整理出一条核心纲领的时候,才清楚地表述出来。讲太多东西,学生记不住,用一条总纲,串起来全部的案例,至少能让他们学到一点东西。

站在护士的角度,他们很熟悉心电、心率、血氧、血压,但是她们并不知道这些东西究竟是怎么回事,大概率只会按部就班操作仪器,看起来很专业,其实并不懂哪些是关键步骤。这是我去做临床测试的时候,教他们使用器件的时候,发现的问题。

跟投资人谈的时候,也经常被问题,我们的产品能测血压,那能不能测心率呢。即便在商业计划书里面谈到了PPG的技术,也得解释清楚,可以测心率,只是因为血压最难做,所以只强调测血压。省得别人一看到熟悉的“心率”这个词,就盯着问,别人也能做,你的有什么区别。(PS:只要有PPG信号,就肯定能算出心率,配上合适的PPG选型,还能算出血氧。)

今天上午跟某公司的人谈潜在的合作和委托开发的时候,对方虽然是做穿戴设备技术的,但讨论时常常混淆信号、生理指标、医学诊断这些概念。做穿戴设备,无论是否医疗级别,能做的是测到准确的生理指标,比如心率、血氧、血压,只能对这些数值负责,而不要想什么辅助诊断、预警什么的,出了事,谁负责,谁愿意替你的器件负责。医生可以提要求,用户可以自定义,但厂家自己得心里有数,医疗器械是辅助诊断的,不做诊断。

从信号到生理指标,中间有个算法。若是采用了同样的算法,那么传感器放在手背或手指,又或是耳坠、眼镜脚,区别仅仅在于信号质量。有了这些认识,对于产品的演化,就能做基本的可行性分析了。

在准备课件的时候,我意外地把博士论文的一个工作缘起,归结到这个“电信号的测量与解读”上了。

柔性压力传感器有个致命的问题,无论是弯它或是柔它,都跟压它一样,会给出灵敏的电信号输出。有些论文就说他们的传感器既能测量压力也能测量弯曲,所以是多用传感器。之前我从传感器的转移曲线去分析,对于一个传感器,需要有一一对应的输入输出曲线,若是挤压和弯曲都能对应同一个输出,那么给传感器出现一个输出的时候,我们就无法得知究竟是挤压还是弯曲,也就是传感器无法测量真实世界的物理量变化。现在我从对电信号的测量与解读上理解这个事,这种东西能测量出电信号,但是电信号本身无法解读,所以算不上传感器。

给这些护士讲这些,他们似懂非懂,不过最后的演示,总算让他们眼前一亮,应该能记住点东西,有收获吧。我把心脏当成一块电池,它收索和舒张的每个周期都会产生电信号输出,若是在心脏两端测量,就能测到这个电池的电压信号,也就是心电信号。若是把左右手电极互换,相当于将万用表两个探针正负反接到电池正负极,测出的自然是负电压,也就是相当于心电信号的尖峰会朝下。我用自己公司的器件现场演示给他们看,他们看着一长串的零一零一传到电脑,然后我一波操作,当他们看到自己熟悉的心电信号的时候,总算眼前一亮,恍然大悟的样子,原理心电信号,是这么来的,而且电极反接的确会导致心电信号峰反向。

最后赶紧趁热打铁,再重复一次“It’s all about the measurement and interpretation of electrical signals.”并且告诫他们,当别人说某个器件能测心率,血氧等等各种生理指标的时候,多问一句,究竟测什么信号,用什么传感器,就不那么容易被骗了。

2019/5/22, Wed

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