综述：可穿戴设备中混合传感器集成用于改善心血管健康监测

这篇综述深入探讨了磁性与光学传感器（PPG/MCG）在可穿戴设备中的协同集成，通过多模态数据融合提升心血管疾病（CVD）监测的精准度，涵盖传感器原理、临床挑战及未来智能化方向，为个性化医疗提供新范式。

　　

背景与心血管疾病现状

心血管疾病（CVD）是全球发病率和死亡率的主要诱因，传统监测手段如心电图（ECG）和袖带血压计存在间歇性测量、环境干扰等局限。可穿戴技术的兴起为连续监测带来转机，其中磁传感器（如TMR）与光学传感器（如PPG）的混合集成展现出独特优势：磁传感器抗环境光干扰且能捕捉微弱生物磁场，而PPG通过红光/红外光吸收监测血容量变化，二者互补可提升信号完整性。

磁传感器技术进展

磁传感器通过检测心脏电活动产生的磁场实现无创监测，主要类型包括：

• 磁阻传感器（GMR/TMR）：对微小磁场敏感，如隧道磁阻（TMR）传感器可检测300 pT/√Hz的神经信号，适用于植入式设备。
• 磁感应传感器：通过胸腔阻抗变化监测心率，实验显示与心冲击图（BCG）误差<15%。
• 原子磁力计（OPM）：利用铯原子自旋测量心磁信号，灵敏度达7-10 fT/√Hz，但需磁屏蔽。

应用场景涵盖心率变异分析、血流动力学评估及早期心律失常预警。例如，柔性磁弹性传感器可贴附动脉壁，通过磁场变化反推血压波动，误差<5 mmHg。

光学传感器的优势与瓶颈

PPG技术凭借非侵入、低成本特性广泛用于心率、血氧饱和度（SpO₂
）监测，但其信号易受运动伪影和肤色差异影响。新型光纤传感器（如DSSCF）通过微弯损耗原理实现脉搏波高灵敏度检测（2.2 kPa^-1
），而近红外（NIR）PPG可穿透深层组织，但需针对不同肤色校准。

混合集成的突破性协同

混合系统通过数据融合算法（如卡尔曼滤波）整合多模态信号：

• 时空互补：磁传感器补偿PPG在运动中的信号丢失，如耳戴式设备在跑步时心率误差仅±10.6 bpm。
• 功能扩展：磁感应+PPG的胸贴装置可同步获取心电机械活动与血氧数据，助力心衰患者管理。
• 微型化挑战：当前方案需平衡灵敏度与体积，如5×5 mm²
  的TMR-PPG集成模块仍面临功耗问题（约70 μA）。

未来方向与挑战

下一代研发需聚焦：

1. 自供电设计：基于摩擦电纳米发电机（TENG）的能量采集可延长续航。
2. 智能算法：量子机器学习有望解析高维数据，早期识别粥样硬化斑块不稳定特征。
3. 生物相容材料：石墨烯基柔性基底可提升穿戴舒适性，同时增强信号信噪比。

结论

混合传感器技术正重塑心血管监测范式，其多参数、实时性优势为精准医疗铺路。尽管存在校准复杂性和临床验证需求，跨学科创新将推动该技术从实验室迈向日常健康管理，最终降低CVD全球负担。