可穿戴技術：全知既全能

王 磊

1(中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055)2(廣東省深圳市低成本健康重點實驗室，廣東 深圳 518055)

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可穿戴技術：全知既全能

王 磊1,2#*

1(中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055)2(廣東省深圳市低成本健康重點實驗室，廣東 深圳 518055)

可穿戴技術探索和創(chuàng)造能直接穿在身上、或是整合進用戶的衣服或配件的設備。本文簡要介紹了可穿戴技術的內(nèi)涵及發(fā)展趨勢。

可穿戴技術

自20世紀60年代可穿戴計算提出到如今的飛速發(fā)展，具有各種神奇功能的可穿戴設備陸續(xù)出現(xiàn)。20世紀70年代，發(fā)明家 Alan Lewis 打造的配有數(shù)碼相機功能的可穿戴式計算機能預測賭場輪盤的結果[1]；1977年，科學家 Colin 制作了盲人背心，把頭戴式攝像頭獲得的圖像通過背心上的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成觸覺意象，為盲人打開了“視覺”通道[2]；20世紀80年代，一位名叫Steve Mann的高中生設計了一套裝有6502計算機的雙肩背包式多媒體攝錄設備，配置頭戴式相機取景器，實現(xiàn)了文本、圖像及多媒體素材的編輯與處理，這是第一套真正意義上的可穿戴式計算機設備； 1994年，Mann在其可穿戴計算機設備的基礎上，發(fā)明了著名的可穿戴式無線網(wǎng)絡攝像頭[3]。進入21世紀，GPS、藍牙技術、無線連接與傳輸技術、傳感器技術各個方面都得到了大力發(fā)展，使得可穿戴設備的種類不斷增加，其所具功能與智能性也不斷擴展[4]。在可穿戴技術與設備的基礎上，人類可以完成以往所不能完成的許多任務。

可穿戴技術包涵兩個維度：感知與運用。通過各種類型的傳感器，實現(xiàn)對不同人體信號、環(huán)境參數(shù)的采集，在此基礎上可穿戴計算機對相應的數(shù)據(jù)進行分析，利用智能技術結合應用場景，開發(fā)和拓展相關的應用，實現(xiàn)從“知”到“能”的轉(zhuǎn)化。本專題中浙江大學高凡等采用了基于金屬氧化物半導體(MOS)型氣體傳感器陣列，研制了一種穿戴式的實時環(huán)境移動監(jiān)測電子鼻，實現(xiàn)了實時在任意地點監(jiān)測環(huán)境中特定類型有害氣體的濃度[5]，是典型的從感知角度來拓展可穿戴技術的發(fā)展；又如電子科技大學的郜東瑞等研究者，通過對眼動的記錄，將眼動記錄解析為具體的指令，以達到交互的目的，使用者僅通過眨眼便能控制人機交互界面上的虛擬鍵盤進行字符輸入，該系統(tǒng)實現(xiàn)了中文、英文及數(shù)字的輸入[6]。

在可穿戴系統(tǒng)的傳感層面，本專題中東華大學張曉峰針對當前可穿戴電子產(chǎn)品對柔性可拉伸纖維基傳感元件的需求，采用原位聚合法制備了3種不同的聚吡咯導電織物，并以這3種導電織物分別為傳感元件，用于測量人體上肢在不同運動姿態(tài)下的電阻變化及其方向性差異。所研制的聚吡咯導電機織物不僅能反映出上肢在準靜態(tài)下的彎曲運動和旋轉(zhuǎn)運動，還能表征人體上肢的實時運動狀態(tài)[7]。本專題中吳建寧等提出了一種用于低功耗的體域網(wǎng)加速度數(shù)據(jù)壓縮感知處理框架，降低相應節(jié)點壓縮算法復雜性和數(shù)據(jù)傳輸量，實現(xiàn)低功耗遠程獲取加速度數(shù)據(jù)[8]。

在可穿戴系統(tǒng)的信息感知層面到完成具體任務的表達層面，數(shù)據(jù)的傳輸技術也占據(jù)著非常重要的作用，本專題中重慶郵電大學的羅智勇等在無線身體局域網(wǎng)(WBAN)傳輸技術中設計的超寬帶陷波天線，在超寬帶的輻射頻段內(nèi)具有較寬的阻抗匹配特性和良好的陷波特性[9]，更好地滿足了可穿戴系統(tǒng)的傳輸需求。

從可穿戴技術的應用場景來看，主要分為三大種類型：一為與運動和健康輔助相關的手環(huán)類、健康監(jiān)測類技術與設備；二為可以不依附于智能手機的獨立智能設備；三為互聯(lián)網(wǎng)輔助產(chǎn)品及與物聯(lián)網(wǎng)密切相關的體感設備。其中，可穿戴醫(yī)療健康設備是目前具有較為明確商業(yè)模式的一類，在用戶的生理參數(shù)檢測與長時監(jiān)測都有較多的產(chǎn)品類型。

睡眠監(jiān)測與分析是其中具有較廣應用的一類可穿戴設備。哈爾濱工業(yè)大學劉志勇等在基于腦電信號的睡眠分期算法研究中，采用小波變換對腦電信號進行降噪，通過非線性符號動力學分析、去趨勢波動分析以及頻譜分析提取了符號熵指數(shù)、去趨勢波動指數(shù)以及δ頻帶能量比參數(shù)，理論上可將睡眠分期正確分類，精度達 90%，為睡眠分析的臨床應用和設備研發(fā)提供了指導意義[10]。對于人體的生理參數(shù)，本專輯中華南理工大學薛俊偉等利用低功耗藍牙技術完成的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了實時、連續(xù)檢測的人體血氧飽和度和體溫監(jiān)測[11]；電子科技大學郜東瑞等研制的高共模抑制比全頻段腦電采集系統(tǒng)采用了動態(tài)直流校正技術，實現(xiàn)了DC～1 000 Hz全頻段的腦電信號采集[12]。可穿戴技術不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)在人體參數(shù)的感知和檢測，更能將一些有助于治療和健康評估的設備集成為可穿戴的系統(tǒng)之中，本專題中北京信息科技大學的楊虎等研制了一種波形、脈寬、重復頻率和強度等多參數(shù)可調(diào)的經(jīng)顱微電流刺激儀，可被廣泛用于改善和治療焦慮、抑郁和失眠等不適應癥的經(jīng)顱微電流刺激治療中[13]。

目前的可穿戴技術研究中包涵感知與運用兩個維度相關的技術：在感知方面方面，新型傳感技術的發(fā)展可以以各種適宜的形態(tài)，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)、信息的采集，例如電子織物、眼動監(jiān)測、生理參數(shù)傳感器等；在傳輸技術方面，體域網(wǎng)、超寬帶、低功耗藍牙等傳輸協(xié)議為穿戴式系統(tǒng)的續(xù)航能力、便攜性帶來了新的可能性；在運用層面，新型人工智能及機器學習方法、大數(shù)據(jù)分析技術的出現(xiàn)，將抽象的、多維度的數(shù)據(jù)進行匯總分析，可以挖掘出無限種的可能性。同時，隨著相關的技術的持續(xù)發(fā)展，更多的感知信息及分析技術，將會使得人類在可穿戴設備的協(xié)助下，完成更多以往所不能完成的任務。

[1] Popat KA, Sharma P. Wearable computer applications: A future perspective [J]. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), 2013, 3: 213-217.

[2] 張繼松. 可穿戴設備的開發(fā)和應用 [J]. 磁性元件與電源, 2014, 4: 146-151.

[3] Mann S. Wearable computing: A first step toward personal imaging [J]. Computer, 1997, 30(2): 25-32.

[4] Sungmee P, Jayaraman S. Enhancing the quality of life through wearable technology [J]. Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2003, 22(3): 41-48.

[5] 高凡，張希，陳辰星，等. 穿戴式實時環(huán)境氣體監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6): 654-661.

[6] 郜東瑞，甘玉龍，李鵬霄，等. 基于眼電的智能輸入系統(tǒng)研究[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):662-669.

[7] 張曉峰，李國豪，胡吉永，等. 用于人體上肢運動姿態(tài)監(jiān)測的聚吡咯導電織物的機電性能評價[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):670-676.

[8] 吳建寧，徐海東，王玨.用于低功耗的體域網(wǎng)加速度數(shù)據(jù)壓縮感知設計[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):677-685.

[9] 羅志勇，張彬，龐宇，等.一種體域網(wǎng)超寬帶陷波天線的優(yōu)化設計[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):686-692.

[10] 劉志勇，張宏民，趙輝群，等.基于腦電信號的睡眠分期算法研究[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):693-700.

[11] 薛俊偉，黃岳山，杜欣，等. 藍牙低功耗可穿戴血氧監(jiān)測設備的設計[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):701-707.

[12] 郜東瑞，李鵬霄，陳其友，等. 高共模抑制比全頻段腦電采集系統(tǒng)[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):708-713.

[13] 楊虎，汪毓鐸，陳新華，等. 多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱微電流刺激儀的研制和基于腦電的效果評測[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報，2015,34(6):714-719.

專題組稿人簡介

王磊，生物醫(yī)學工程博士、博士后，博士生導師。2000—2007年在英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)、系統(tǒng)級集成研究所和倫敦帝國學院(Imperial College London)從事科研和教學工作。2007年加入中國科學院深圳先進技術研究院，現(xiàn)任生物醫(yī)學與健康工程研究所副所長、醫(yī)療機器人與微創(chuàng)手術器械研究中心主任。

王磊博士是中國科學院“百人計劃”研究員，深圳市“鵬城學者”特聘教授，廣東省“低成本健康技術”創(chuàng)新團隊核心成員；深圳市高層次領軍人才、海外高層次人次、杰出青年，深圳市政府特殊津貼專家；廣東省“基層醫(yī)療設備集成技術工程中心”、深圳市“低成本健康重點實驗室”、“生物醫(yī)療電子與健康信息技術平臺”主任。對低頻率低功耗低噪聲醫(yī)用集成電路設計與人體通信等人體傳感器網(wǎng)絡(body sensor networks, BSN)技術和BSN在醫(yī)療機器人與可穿戴設備中的應用有深入研究。作為主要負責人, 承擔國家科技重大專項、國家863計劃、國家自然科學基金，中科院重點部署、STS，重大培育、技術開發(fā)、國際合作等重大科研項目，近五年獲科研經(jīng)費資助3 000多萬元。累計發(fā)表科研論文200余篇，其中SCI/EI/ISTP索引150余篇，累計SCI影響因子82點，近5年科研論文被引1 400余次。出版《低成本健康集成技術》等專著和專著章節(jié)9部。獲兩項國際和12項發(fā)明等共28項專利的授權，1項發(fā)明專利獲中國專利優(yōu)秀獎(2013年)，多項專利已轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化到企業(yè)，50余項發(fā)明專利已授理。作為技術持有人和首席科學家，先后孵化5個國內(nèi)外高科技企業(yè)。獲中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新獎(2014年)、吳文俊人工智能科學技術創(chuàng)新獎(2014年)、深圳市產(chǎn)業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新人才獎(2012—2014年)、廣東省醫(yī)藥科技二等獎和IEEE EMBC、EPSRC學術會議獎等榮譽稱號。是IEEE會刊等多個學術刊物審稿人。

Wearable Technologies: Omniscience Is Universal

Wang Lei1，2#*

1(ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnologies,ChineseAcademyofSciences,Shenzhen518055,Guangdong,China)2(ShenzhenKeyLaboratoryforLow-CostHealthcare,Shenzhen518055,Guangdong,China)

Wearable technologies are clothing or accessories incorporating computer and advanced electronic technologies. This article introduces some concepts of wearable technologies and proposed some perspective about the developing trends.

wearable technologies

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.001

2015-10-30， 錄用日期:2015-11-09

國家自然科學基金重點項目(71531004)；國家高技術研究發(fā)展計劃(2012AA02A604)；廣東省影像引導治療技術創(chuàng)新團隊(2011S013)

編輯部

R318

A

0258-8021(2015) 06-0641-03

# 中國生物醫(yī)學工程學會會員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: wang.lei@siat.ac.cn

專題：可穿戴技術

中國科學院深圳先進技術研究院王磊研究員負責了本專題的策劃、組稿和審閱工作，我們對王磊研究員所付出的辛勞表示深深的感謝！