在智能時代，智慧醫療、穿戴式運動追蹤、生活環境監測等相關科技產品正逐漸改變人類的生活方式，而這其中傳感器起著關鍵作用。智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用正是基于此從基本理論和現實具體案例應用等方面對傳感器技術在醫療、健康和環境監測中的應用進行了深入的探討。并且還特別對這些領域特有的社會、法規和設計方面內容進行了獨到分析，這在其他圖書中很少能學習到。
智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用采用基于應用的方式，使用真實案例來講解傳感器應用方面的實用經驗。通過設計和驗證流程，引導讀者了解傳感器應用的研究、部署和管理等各階段。
幫助臨床醫療和技術研究者、工程師、學生等廣大讀者理解并解決在學習、開發傳感器應用過程中面對的技術性與非技術性的挑戰。
適讀人群 ：臨床醫療和技術研究者、工程師、學生及對傳感器研究開發感興趣的人
以真實案例深入剖析傳感器在醫療、健康、環境監測等領域的關鍵內容，分享深入見解與實用經驗。
掌握可穿戴、智慧醫療、環境監測中的先進傳感技術。
簡單易讀以幫助你更好理解傳感器技術的各種進展與挑戰。
特色
1、描述了傳感器和創建一個點對點智能傳感器應用所需要的硬件和軟件組成；
2、分析了設計一個成功的傳感器應用所需考慮的非技術因素；
3、講解了傳感器在醫療、健康保健和環境監測方面應用實用案例。
原書前言
健康是一切幸福的基礎�！�?亨特 19世紀英國詩人
當我們剛開始打算寫一本關于傳感器及其應用的書時，我們還對書的主題和形式有一點猶豫。盡管有一些優秀的關于傳感器及其功能的書籍，但是我們還是覺得這是一個機遇，給傳感器的發展、使用和評價提供一些實踐性的見解。在英特爾數字健康集團和獨立生活科技研究中心的六年合作中，我們涉足為數以百計的愛爾蘭老人開發和使用醫療技術。在那段時間，我們在多學科交叉的團隊中工作，獲得了很多病人和臨床專家的深入見解，學到了很多有價值的知識。這些經驗有助于我們更好地理解傳感器技術如何能被成功應用和外部因素如何能影響真實世界的傳感器應用。在《智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用》中，我們采用實踐和容易理解的方式分享了我們了解的知識。我們介紹的主題包括設備規范、管理傳感器的使用、數據形象化和社會因素，這些都是現代傳感器應用的基礎，很少在傳感器或相關領域專業書籍中討論。我們還討論了這些技術的發展趨勢，比如智能手機和平板電腦的眾多應用，影響著傳感器在消費市場中應用的擴展。
我們關注醫療、保健、環境監測領域，因為它們是我們在21世紀中面對的最大的全球挑戰。傳感技術在這些領域中扮演著重要的角色，使我們了解影響我們生活的各種因素，包括我們的健康狀況、生活習慣、飲食和飲用水、呼吸的空氣和居住的生活環境質量。在這個傳感技術越來越多的世界，我們想要寫一本簡單易懂的書，有助于臨床和技術研究者、工程師、學生和那些對傳感器好奇的人理解在發展傳感器應用過程中傳感器面對的技術性與非技術性的挑戰。我們希望本書也有助于相關領域專家，如臨床醫生和工程師，從而更加全面地了解傳感器的應用。
第1章為引言，概述了全書的主要內容；第2～5章描述了傳感器和創建一個點對點智能傳感器應用所需要的硬件和軟件組成；第6～8章描述了設計一個成功的傳感器應用所需考慮的非技術因素；第9～11章描述了傳感器在健康、保健和環境監測中的應用；第12章對全書進行了總結與展望。讀者可以連續閱讀每個章節，也可以選擇感興趣的章節進行閱讀。在整本書中，我們加入了參考文獻和外部材料，從而讓讀者能更加深入地理解主題信息。盡管我們從健康、保健和環境監測的視角討論傳感技術，但我們相信《智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用》的核心內容適用于所有傳感技術領域。
我們希望在讀完本書后，你們不僅會分享我們對傳感技術和傳感器應用的認識，你們也會分享我們對傳感器應用和這些微小設備快速進化使我們的生活變得更加美好的好奇和驚訝。
——英特爾歐洲實驗室 Michael J. McGrath 、Cliodhna Ní Scanaill
原書序
生命的數學
你是否通過電子顯微鏡觀察過巖石樣本分子的形貌？是否使用紅外相機看過瀝青的黑色？是否采用微型攝像藥丸檢測過你的腸道？是否檢查過五個月后會出生的寶寶的腳趾？這個世界充滿了神秘感，超越了我們傳統的五大感官能夠感知的范圍。
現在，新的時代已經到來，我們可以看到和感受到超越我們自身的、內在和外在的神奇。人體內部和人體外部的傳感技術在講述著揭示、發現和康復的故事，講述著我們在捕捉心臟跳動信號，測量血氧水平，檢測電脈沖信號，給我們的肌肉和神經帶來生命和活力，或者使我們的呼吸和體液述說著我們現在和未來的快樂與悲傷的故事。我們能感知和敘說這些快樂與悲傷，并把它們盡可能地利用起來。
生物傳感器能感知我們的健康和幸福，它們已經融入我們的日常生活。我所說的生物傳感器的定義非常廣泛，作為傳感器檢測我們的身體屬性和居住環境。因此，我們的計劃是使用生物傳感器檢測健康的可見的和不可見的物質，加強測量的準確性，并用傳感技術為人們做出快速響應和預警。
為什么?為什么是現在？因為我們已經準備好了，因為我們必須這樣做。我們準備好了，是因為主要的技術發展趨勢正在發生融合：信息革命包括全球網絡、流行的計算和作為商品的計算機程序（“應用程序”）；與此同時，納米技術的進步為使用合適的傳感器鋪平了道路。我們必須這樣做，是因為存在急需解決的問題，從而滿足生活的多方面需要。
我們很幸運地生活在這樣一個時代，一個軍事、醫療和工業進步在排隊加入智能手機革命的時代，它并不是火箭科學或者心臟手術，而是可能在全球普及并適應我們日常生活的相關需求。
數字生活
對我來說，這些都是我發自內心的感受。我是一個糖尿病患者，正是科技才能使我活下去——感謝葡萄糖傳感器的30多年的發展。傳感技術在我日常生活中的作用已經幫助我成為全球技術先驅公司的一名生物傳感技術決策者。
糖尿病是一個被信息技術控制狀態的最好例子。從本質上講，狀態是碳水化合物消耗、藥物攝入和運動之間相互影響——作為個人監測的生物傳感器。基于相互影響，我可以做一個計算：如果我食用的蛋卷冰淇淋擁有28g的碳水化合物，我把它除以4（我自身的特定系數），然后注射7個單位的胰島素。如果我的生物傳感器，也就是葡萄糖測定儀測量的結果100個單位太高，我就將碳水化合物除以50后再注射2個單位的胰島素。如果葡萄糖測定儀的讀數小于70個單位，我就吃25g的糖。有點復雜，但這就是它如何工作的，而且確實這樣工作。
目前，有成千上萬的葡萄糖測定儀。最近醫療保健系統的一大發展就是持續的血液監測，對于那些有糖尿病的人、醫生、其他納稅人來說,這絕對是革命性變化。我們不僅能高分辨率地管理血糖，更好地模仿我們受損的新陳代謝，而且可以讓我們見到日常血糖的情況，給我們新的令人興奮的見解和實踐，減少日常管理的負擔。我們能夠認識到我們行為的直接原因和影響，最終改善我們的生活，降低醫療保健費用。如今很多專家承認，這對護理人員和患者來說是一個神秘的世界。
固執己見的信息技術專家容易將期望寄托于最后的前沿——“人工胰腺”。這不是一個植入器官，而是一個軟件，輸入連續的血糖測量和計算說明至胰島素泵。有熱情的醫療技術員會樂意遵循相似的發展路線提出其他幾個條件。
力量的神奇轉變
你會感到驚訝：今天醫療系統正在經歷一場大的轉變，糖尿病患者可以自己控制藥物攝入。是的，實際上我們一旦稍微過量使用了胰島素就會有致命的危險。
人們期望的是，生物傳感技術的故事也是力量神奇轉變的故事。21世紀為我們提供了認識自己，看到以前無法看見的，超越我們傳統認知觀點，并打破之前少數人控制的巨大而又昂貴儀器。記住數碼相機和拍照手機記錄下了怎樣的世界？我們正奔向一個廣泛的領域——醫療和保健、食品和飲食、水、電、環境監測和家庭護理。傳感技術將通過提供按需實現健康狀態來在醫療服務質量方面發揮關鍵作用。傳感器還可以通過獲得新的個人模式護理和服務使服務創新，這些直到現在一直是少數人的特權。
揭示生命的奧秘
生命的奧秘都在我們的眼皮底下，而生物傳感器為我們感知周圍和現實提供了新的方法。“生物傳感技術遍及日常生活”時代，我們每天都會面對很多新的數據；它可能是我們自己的，我們會利用和分享我們認可的數據。我們的傳感器將始終開啟并始終連接在一起；它們將與其他生物傳感器一起工作，通過眾包（crowdsource）數據，在發生和復發時間、空間和不同人群中產生新的意義，提取新的模式。這能使我們增加對自己的自省和了解；它也會讓我們與所愛的人產生更多親密的互動，增加我們對周圍世界的認識。
心率和步伐、陽光的紫外線、環境污染、大腦活動、細菌——這一切都會被新一代的傳感技術消費者所利用，消費者將超過移動時代去開拓新興功能。
隨著技術難度的降低和變得方便使用，這些信號的價格會進一步降低。數據將變得更加容易獲得。不需要再通過抽取血液或者其他體液，我們將采用非侵入式的方法——聲、光、電、呼吸嗅探和服裝來檢測這些微小的變化。前人考慮我們身體周圍的預兆,盡管采用不同的和更有用的感官，但是生物傳感器將證明它們是正確的。
《智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用》是一本介紹傳感器及其應用的書，使我們能夠擁有更大的權利監測自己的健康、保健和居住環境。我們被引向了未來，一個可以讓我們每個人都前所未有清晰地看清人體復雜性，看到我們自己身體的預兆并且可以記錄它，使它成為個人或者公共認知的基礎。作者提供了令人興奮的見解，同時希望得到大家的宣傳和指正。
生物傳感器正在走近我們——歡迎來探究這本展現了時代驚奇、具有性、充滿奧秘的技術指導工具書。
——英特爾集團戰略規劃總監 David Gordon
譯者序
傳感器技術是物理、電子學、光子學、機械學、化學以及生物學等的交叉研究領域，廣泛地應用于科學研究和產品設計等領域。傳感器在醫療、保健及環境監測應用上的使用已經變得非常廣泛。隨著社會經濟的不斷發展與人類生活水平的不斷提高，人們對于自身醫療、健康和環境監測方面的要求也越來越高。為了保證醫療質量，進一步降低醫療成本，越來越多的傳感器技術融入到了人們的日常生活中，用于對人體生命體征和各種活動的實時監測。與此同時，醫療方式也從傳統的被動醫療的模式逐步轉向積極的預防保健模式，極大地降低了社會的醫療負擔和成本。傳感器除了應用于醫療保健領域，同時還被廣泛地使用于與人自身健康相關的環境監測領域，從多個方面最終實現對人體健康的全面保護。
智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用的作者從基本理論和應用的視角對傳感器技術在醫療、健康和環境監測中的應用進行了深入的探討，給傳感器的發展、使用和評價提供一些實用的見解，有助于臨床和技術研究者、工程師、學生等理解在發展傳感器應用過程中傳感器面對的技術性與非技術性的挑戰。第1章為引言，概述了全書的主要內容；第2～5章，主要介紹了傳感器和創建一個點對點智能傳感器應用所需要的硬件和軟件知識；第6～8章，重點描述設計一個成功的傳感器應用所需考慮的各種相關的非技術因素；第9～11章，主要內容是如何將這些傳感器應用于醫療、健康和環境監測；第12章對全書進行了總結與展望。讀者可以連續地閱讀每個章節，也可以選擇感興趣的章節進行閱讀。在整本書中，作者加入了與章節內容相關的輔助材料，從而讓讀者能更加深入地理解主題信息。作者從醫療、健康和環境監測的視角討論這類特殊的傳感技術，本書的核心內容同樣也適用于其他類型的傳感技術領域。
智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用由浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院生物傳感器國家專業實驗室從事生物醫學傳感與檢測技術的多位教師與研究生共同翻譯完成，包括張希、鄒瑩暢、蘇凱麒、 秦臻、黎洪波、孫啟永、屠佳偉、張斌、高凡、郭添添、孫斐，全書由胡寧、王君和王平統稿。他們結合各自的科研工作，除了對英文原文進行了忠實原著的翻譯外，還對原著中部分專業敘述進行了相應的解讀和說明，并對書中的個別錯誤進行了更正，使其便于國內的廣大讀者閱讀和理解。智能傳感器：醫療、健康和環境的關鍵應用可供從事該領域及傳感器與生物醫學交叉領域的研究人員和學生閱讀使用。
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作者簡介
Michael J. McGrath博士是歐洲英特爾實驗室的高級研究員，已經在英特爾實驗室工作14年，承擔過多個項目的管理和研究工作。他的研究領域包括環境和穿戴式的傳感器應用、網絡技術、移動技術和數據管理技術。他曾擔任獨立生活科技研究中心（TRIL Centre）的項目負責人，主要研究方向是發展支持獨立生活的技術。他與他人合著了《Wireless Sensor Networks for Healthcare Applications》（2009年由美國Artech House出版社出版）。
Cliodhna Ní Scanaill博士是歐洲英特爾實驗室的高級傳感器應用工程師，她開發和使用大規模傳感器系統用于環境監測。在2006年加入英特爾實驗室前，她已經在獨立生活科技研究中心致力于防跌倒的研究5年多時間，擔任軟件工程師、研究員和項目負責人。她的研究方向包括跌倒和老齡化、體育和健身傳感技術、傳感器網絡的設計及其管理。
Dawn Nafus博士是歐洲英特爾實驗室的高級研發科學家，她負責人類學研究用于激發新產品開發及其策略。她獲得英國劍橋大學人類學專業的博士學位，曾經是英國埃塞克斯大學（University of Essex）的研究員。她在學術雜志發表了很多有關技術和社會的文章，并與公共政策制定者和行業領導者一同解決問題，例如擴大公眾在開源社區參與度。她的研究方向包括時代經歷、技術和現代化相關的信仰、評估全球技術應用的政治、數字人類學。
原書序
原書前言
第1章 引言
1.1 本書的主要內容
1.2 傳感器的歷史概述
1.3 傳感器應用的驅動力
1.3.1 健康與健身
1.3.2 人口老齡化
1.3.3 個性化醫療
1.3.4 公共衛生
1.3.5 技術交互
1.3.6 國家安全
1.3.7 物聯網
1.3.8 水和食物
1.3.9 環境挑戰
1.4 傳感器應用面臨的挑戰
1.5 傳感器實現創新
參考文獻
第2章 傳感技術與傳感器基礎
2.1 傳感器和傳感技術的定義
2.2 主要傳感模式介紹
2.3 機械傳感器
2.3.1 MEMS傳感器
2.3.2 加速度計
2.3.3 陀螺儀
2.4 光學傳感器
2.4.1 光電傳感器
2.4.2 紅外傳感器
2.4.3 光纖傳感器
2.4.4 干涉儀
2.5 半導體傳感器
2.5.1 氣體傳感器
2.5.2 溫度傳感器
2.5.3 磁傳感器
2.5.4 光學傳感器
2.5.5離子選擇性場效應晶體管
2.6 電化學傳感器
2.6.1 電位型傳感器
2.6.2 電流型傳感器
2.6.3 電量傳感器
2.6.4 電導傳感器
2.7 生物傳感器
2.7.1 生物傳感器的換能器
2.7.2 生物傳感器的主要特性
2.8 應用領域
2.8.1 環境監測
2.8.2 醫療
2.8.3 保健
2.9 傳感器特性
2.9.1 檢測范圍
2.9.2 傳遞函數
2.9.3 線性和非線性
2.9.4 靈敏度
2.9.5 環境影響
2.9.6 輸入修正
2.9.7 輸入干擾
2.9.8 遲滯
2.9.9 分辨率
2.9.10 準確度
2.9.11 精度
2.9.12 誤差
2.9.13 統計特性
2.9.14 可重復性
2.9.15 公差
2.9.16 動態特性
2.10 小結
參考文獻
第3章 傳感器關鍵技術:硬件和軟件概述
3.1 智能傳感器
3.2 傳感器系統
3.3 傳感器平臺
3.3.1 Arduino I/O板
3.3.2 Shimmer
3.3.3 智能手機和平板電腦
3.4 智能傳感器的微控制器
3.4.1 CPU
3.4.2 常用微控制器
3.5 接口和嵌入式通信
3.5.1 嵌入式數字接口和協議
3.5.2 模擬接口
3.6 傳感器通信
3.6.1 標準有線接口
3.6.2 中短距離無線通信標準
3.6.3 專有無線協議
3.7 電源管理和能量采集
3.7.1 電源管理
3.7.2 能量采集
3.8 微控制器的軟件和調試
3.8.1 IDE
3.8.2 開發語言
3.8.3 測試代碼
3.9 小結
參考文獻
第4章 傳感器網絡拓撲理論及設計
4.1 傳感器網絡構成要素
4.1.1 傳感器節點
4.1.2 信息匯聚器、基站及網關
4.2 傳感器網絡拓撲結構
4.3 傳感器網絡的應用
4.3.1 個人局域網絡
4.3.2 家庭傳感器網絡
4.3.3 廣域網
4.4 傳感器網絡的特征和挑戰
4.4.1 安全
4.4.2 傳感器網絡面臨的挑戰
4.5 小結
參考文獻
第5章 傳感器數據處理和增強
5.1 數據認知
5.2 物聯網
5.3 傳感器和云
5.4 數據質量
5.4.1 解決數據質量問題
5.5 傳感器數據融合
5.6 數據挖掘
5.7 數據可視化
5.8 大傳感數據
5.9 小結
參考文獻
第6章 法規與標準：傳感器技術的注意事項
6.1 醫療設備法規
6.1.1 CE認證
6.1.2 美國食品藥品監督管理局
6.1.3 其他醫療設備監管者
6.2 醫療設備的標準
6.2.1 行業標準和認證
6.2.2 質量管理體系標準
6.2.3 臨床研究標準
6.2.4 數據互操作性標準
6.3 環境傳感器的法規
6.3.1 環境噪聲
6.3.2 環境空氣質量
6.3.3 室內空氣質量
6.3.4 飲用水
6.3.5 射頻頻譜的監管和分配
6.4 挑戰
6.4.1 針對具體國家的監管程序
6.4.2 移動健康應用程序
6.4.3 個性化醫療
6.4.4 大眾科學
6.5 小結
參考文獻
第7章 生物傳感器的數據經濟
7.1 論證的基礎
7.2 為什么基于“應該”的技術開發難有成效
7.3 基于“應該”設計的后果
7.4 為什么設計需要考慮種種“可能因素”
7.5 “可能因素”數據經濟的要求
7.6 小結
參考文獻
第8章 家庭與社區傳感器的使用
8.1 醫療領域的挑戰
8.2 研究設計
8.2.1 提出研究問題
8.2.2 臨床群體特征
8.3 家庭使用傳感器
8.3.1 家用與社區使用的傳感技術
8.3.2 穿戴式傳感器的評估應用
8.3.3 周圍環境監測傳感技術
8.3.4 用戶設備入口
8.3.5 用戶反饋
8.4 家用傳感器的管理
8.5 遠程使用傳感器結構
8.6 樣機設計過程
8.6.1 與用戶共同設計
8.6.2 與多學科團隊成員共同設計
8.7 數據分析與智能數據處理
8.8 案例研究
8.8.1 案例一：量化計時起走（QTUG）測試
8.8.2 案例二：日�；顒雍筒綉B速度的環境監測評估
8.8.3 案例三：專注生活訓練
8.9 經驗總結
8.9.1 安裝過程
8.9.2 關鍵傳感器的隱藏
8.9.3 數據質量
8.9.4 用戶參與
8.10 小結
參考文獻
第9章 醫療應用的穿戴式、周圍環境監測與用戶使用的傳感技術
9.1 改變我們醫療工作的方式
9.2 傳感器檢測的背景信息在醫療中的應用
9.3 基于醫院和社區的傳感技術用于評估和診斷
9.3.1 監測生命體征
9.3.2 心率
9.3.3 血壓
9.3.4 體溫
9.3.5 呼吸速率
9.3.6 血氧的監測
9.4 社區應用的傳感技術
9.5 基于家庭的臨床應用
9.5.1 慢性疾病管理
9.5.2 用于研究的不定期監測
9.5.3 活動和行為的監測
9.5.4 生物力學康復
9.5.5 聚合與管理
9.5.6 智能手機作為醫療平臺
9.6 自我護理診斷試劑盒
9.6.1 酶/免疫學檢測
9.6.2 酶試紙
9.6.3 色譜濕法化學
9.6.4 家庭檢測市場
9.6.5 家庭基因測試
9.7 關鍵驅動因素和挑戰
9.7.1 醫療系統方面的驅動因素和挑戰
9.7.2 技術驅動因素和挑戰
9.7.3 消費者驅動因素和挑戰
9.8 基于傳感器醫療應用的未來
9.9 小結
參考文獻
第10章 保健、健身及生活方式傳感技術的應用
10.1 驅動力與阻力：運動與健身傳感技術
10.1.1 運動與健身傳感技術的驅動力
10.1.2 運動與健身傳感技術的障礙
10.2 運動與健身傳感技術的應用
10.2.1 支持無線技術
10.2.2 健身傳感技術
10.2.3 服裝傳感技術
10.2.4 運動裝備傳感技術
10.2.5 運動和健身的統計數據
10.3 活動與保健
10.3.1 肥胖與體重管理
10.3.2 睡眠
10.3.3 姿態監測
10.3.4 人身安全
10.4 保健、健身和生活方式中傳感應用的未來
10.5 小結
參考文獻
第11章 對人類健康的環境監測
11.1 環境監測傳感技術發展的驅動力
11.1.1 產品成本
11.1.2 智能手機
11.1.3 市民認知
11.1.4 采樣
11.1.5 環境傳感技術與網絡通信技術
11.2 應用瓶頸
11.2.1 功耗
11.2.2 穩定性和成本
11.2.3 技術限制
11.2.4 安全問題
11.2.5 可用性和可拓展性
11.2.6 兼容性
11.2.7 數據質量和所有權
11.3 環境監測參數
11.3.1 空氣質量和大氣條件
11.3.2 環境天氣
11.3.3 UVA/UVB檢測
11.4 水質監測
11.4.1 水質物理參數檢測傳感技術
11.4.2 水質化學性質傳感技術
11.4.3 水質生物病原體傳感技術
11.4.4 移動式水質檢測傳感技術
11.4.5 環境噪聲污染
11.5 輻射檢測
11.6 環境對食品的影響
11.7 環境監測的未來方向
11.8 小結
參考文獻
第12章 總結與展望
12.1 現狀
12.2 展望
12.2.1 普遍性
12.2.2 技術
12.2.3 個性化醫療
12.2.4 眾包
12.2.5 傳感技術交互
參考文獻
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