可穿戴技術在醫(yī)療中的研究與應用

黃海誠，汪豐

東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院，江蘇 南京 210096

可穿戴技術在醫(yī)療中的研究與應用

黃海誠，汪豐

東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院，江蘇 南京 210096

編者按：自從2012年谷歌公司推出谷歌眼鏡以來，可穿戴技術及設備成為市場熱點，如與健康相關的可穿戴設備，包括運動手環(huán)，運動心率手表等。實際上，由于醫(yī)療領域希望可以長期監(jiān)測人體的生理指標，以掌握這些生理指標動態(tài)變化的過程，為臨床診斷提供更加充分的依據(jù)。20世紀末人們就已經(jīng)開始研究新型的傳感技術和可穿戴設備計算方法，希望研制出面向臨床應用的可穿戴裝置。隨著低功耗芯片技術、傳感技術和無線通信技術的發(fā)展，醫(yī)療用的可穿戴產(chǎn)品研究吸引了越來越多的研究者和企業(yè)的參與。相信基于可穿戴技術的醫(yī)療產(chǎn)品將很快進入市場，成為移動醫(yī)療重要的支撐，進而影響未來的醫(yī)療服務模式。

欄目主編：汪豐

汪豐，博士，副教授。現(xiàn)任東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院副院長，中國電子學會生物電子學分會委員，江蘇省生物醫(yī)學工程學會醫(yī)學信號檢測與處理專業(yè)委員會副主任委員。主要研究方向為生物醫(yī)學傳感技術、生理信號分析、無線傳感網(wǎng)絡、情緒計算與生物反饋、遠程醫(yī)療等。主持并參與10余項科研項目，其中973項目1項，國家自然科學基金1項。獲江蘇省科技進步三等獎1項，發(fā)表論文近三十篇（其中SCI收錄1篇，EI收錄10篇），譯著2部。作為第一發(fā)明人獲2項國家發(fā)明專利授權。主持并參與6項教學改革及研究項目，其中國家級項目2項，省級項目1項。獲江蘇省教學成果二等獎1次。

由于人口老齡化的加劇和慢性病發(fā)病率的不斷上升，人們對自己的健康問題也越來越關注。可穿戴技術發(fā)展迅速，在醫(yī)療領域的研究與應用日益增加。本 文描述了可穿戴技術在測量及監(jiān)護、治療、康復等領域的研究與應用現(xiàn)狀，總結了目前技術上存在的一些問題，并 對其未來的應用進行了展望。

可穿戴技術；醫(yī)療；監(jiān)護；治療；康復

0 前言

隨著老齡化社會的到來，慢性疾病患病人數(shù)不斷增加，人們更加關注自身的健康問題。隨著智能手機的普及，移動互聯(lián)網(wǎng)和智能硬件的興起，使得可穿戴技術及設備成為研究和產(chǎn)品開發(fā)的熱點?？纱┐髟O備即為可以穿戴或者佩戴在人身體上的設備的總稱，意為輔助人的便攜設備，是可穿戴技術的實現(xiàn)方式[1-2]。將可穿戴技術應用于醫(yī)療器械領域，例如在醫(yī)院外、家庭環(huán)境中對病人進行健康監(jiān)護、精確給藥治療、運動輔助等，已成為醫(yī)療器械創(chuàng)新的一個熱點方向，產(chǎn)品已開始逐漸應用于臨床實踐[3]。

本文將介紹可穿戴設備在測量及監(jiān)護、治療、康復等幾個領域的研究及應用，并分析可穿戴醫(yī)療設備未來可能面臨的機遇和挑戰(zhàn)。

1 可穿戴設備在測量及監(jiān)護上的應用

可穿戴設備因具有微型化、智能化和便攜方便的優(yōu)點，在測量及監(jiān)護上得到了廣泛的研究及應用。

1.1 心臟監(jiān)護

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)報告，2009年全世界共有1900萬人死于心臟類疾病。另據(jù)相關資料顯示，我國死于心臟相關疾病的人數(shù)僅次于由腫瘤和腦血管疾病的死亡人數(shù)，其中發(fā)病死亡的主因是急性心梗和致命性心率失常[4]。同其他疾病相比較，心臟疾病的發(fā)作更加具有突然性和隨機性，很多人會因為錯過最佳的搶救或治療時間使病情加劇，甚至導致死亡。據(jù)臨床資料顯示，由于缺乏有效的監(jiān)護，心臟驟停絕大部分死于院外，約60%～75%，其中1/2～3/4死于家中，7%～12%死于工作崗位，8%死于公共場所，因此日常的預防和檢測是發(fā)現(xiàn)和控制心血管疾病的重要手段[5]。

目前，對心臟疾病的診斷主要是通過分析心電圖(ECG)來判斷心臟的生理功能狀況。臨床上常用作記錄ECG的是心電圖機和Holter動態(tài)心電圖儀。心電圖機只能記錄短時間的心電圖，多用于對常態(tài)的心臟疾病或隱患的診斷，不能全面地反映心臟活動情況和有效地捕捉到心電異常情況。Holter動態(tài)心電圖儀，包括單導聯(lián)，雙導聯(lián)或十二導聯(lián)記錄，可以連續(xù)24 h記錄患者日常生活中的心電數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)常規(guī)的ECG不容易發(fā)現(xiàn)的心臟異常情況[6]。但是，Holter動態(tài)心電圖需要將7個AgCl電極黏貼在胸前和腹部的皮膚上，不僅導線對生活干擾較大，而且長時間佩戴容易造成皮膚瘙癢等不良反應，使得其無法實現(xiàn)1周以上的長時間監(jiān)測。

長春理工大學的翟紅藝等人[8]設計了一種由鍍銀織物電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘性電極的穿戴衣，有效克服了長時間使用粘性電極帶來的電極性能隨時間下降、導電膠刺激皮膚等問題。該穿戴衣植入的4個織物電極分別位于左、右胸骨柄及左、右下腹部位置，通過衣物內(nèi)置導線和數(shù)據(jù)采集裝置相連，提供三通道心電信號。測試的結果顯示，在走路、上下樓梯、搬運輕物等低強度環(huán)境下，該心電穿戴衣測量R波的平均識別準確率高達96.37%。

劍橋大學的David Da He等人[11]設計的助聽器式動態(tài)心電裝置非常小巧。裝置使用入耳式的助聽器前端實現(xiàn)聲音放大，同步采集心電、加速度數(shù)據(jù)，并通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。使用時僅需將前端放入耳中并將電極貼在耳后，對日常生活干擾極小。心電和加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機（MSP430）處理后，在計算機上可以查看實時動態(tài)的ECG。

1.2 睡眠監(jiān)護

我國有近一半的人存在不同程度的睡眠障礙問題，其中以失眠癥，嗜睡癥和睡眠呼吸暫停綜合癥最為常見。由于睡眠時間不足、睡眠質量低下，造 成了大約50%的人白天精神萎靡，38.9%的人白天活動受限，27.7%的人情緒不佳[9]。睡眠監(jiān)測的主要目的是了解睡眠質量，發(fā)現(xiàn)睡眠疾病，如睡眠呼吸暫停綜合癥。臨床上多用多導睡眠監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測睡眠，測量參數(shù)主要有腦電，眼電、肌電、心電、體位體動，口鼻氣流以及其腹腔運動等一系列參數(shù)，能夠非常全面的記錄睡眠狀態(tài)[10]。這樣的睡眠監(jiān)測雖然功能全面，但是由于價格昂貴和便攜性不高的原因，并不適合所有的使用者。

浙江大學的胡裕軒[12]設計了一款功能相對簡單，適用性更廣的便攜式睡眠監(jiān)護儀。他發(fā)現(xiàn)腦電、下頜肌電、眼電信號適合作為睡眠分期的標準；心電、血氧飽和度、呼吸脈搏波適合作為監(jiān)測睡眠質量的標準。他通過6路EEG頭皮腦電信號、2路眼電信號、2路肌電信號、3導聯(lián)心電、指夾式血氧探頭以及胸腹部呼吸壓力傳感器檢測以上6種信號，儲存于便攜可穿戴式的存儲設備中。實驗表明，該設備可以很好地記錄睡眠時的各項生理數(shù)據(jù)，為分析睡眠質量提供了可靠依據(jù)。

美國ZEO公司開發(fā)的睡眠監(jiān)護設備ZEO[13]采用三個導電織物電極組成的頭帶測量腦電信號，通過無線傳輸裝置將信號傳輸至床邊的時鐘單元或iPhone手機客戶端，分析使用者的睡眠質量，監(jiān)測睡眠狀態(tài)。個人睡眠數(shù)據(jù)可上傳至MyZeo的網(wǎng)站，供睡眠醫(yī)生分析和診斷使用。此外，該設備可以實現(xiàn)智能鬧鐘，即通過分析用戶睡眠狀態(tài)，在用戶處于淺睡期時進行鬧鈴。

1.3 精神壓力檢測

我國由于龐大的人口基數(shù)和高速發(fā)展帶來的壓力，各項精神壓力導致的相關的問題也呈現(xiàn)日益上漲的趨勢。長期處于精神高壓的狀態(tài)下的人更容易患上精神疾病。壓力過大帶來的各項問題諸如抑郁和焦慮在歐洲已經(jīng)成為辦公室環(huán)境中的第二大健康問題，25%以上的患者會因為壓力問題請假缺勤達1個月或以上[27]。檢測壓力相關的健康問題，通?？梢酝ㄟ^測量心率變異性（HRV）來確定。而HRV的測量則是根據(jù)ECG數(shù)據(jù)。臨床上測量ECG已經(jīng)十分準確，然而在日常生活環(huán)境中測量ECG還是不夠方便，可穿戴技術可實現(xiàn)長時間ECG測量，從而準確判斷日常生活中的精神壓力問題。

為了更好的記錄日常生活中各種環(huán)境帶來的精神壓力，李延軍等人[16]采用約束負荷強度，實驗時間等因素的方法，由牛津儀器的M edilogAR12可穿戴式心電圖機采集ECG數(shù)據(jù)，后用Matlab處理得到HRV數(shù)據(jù)。實驗樣本為9人，平均年齡為25歲，讓被測者由聽輕音樂到讀文章，精神負荷是一個逐漸增長的過程。最后分析HRV數(shù)據(jù)并和被測者主觀感受比較，得到了生活中的壓力和HRV的對應關系。

荷 蘭 的Jacqueline Wijsman等 人[27]使 用Human++的無線人體傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，在ECG信號的基礎上另外添加了呼吸信號，皮膚電導率和表面肌電圖（surface electromyogram），并設計了一系列的實驗和問卷，利用可穿戴設備對30名19～53歲之間沒有精神病史的被測試人員進行了測量。實驗模擬了辦公室生活的日常環(huán)境，對每個被測對象進行了40 min左右的測量，并全程記錄被測對象在計算機前的每一個操作。實驗完成后，通過SPSS的廣義估算分析（GEE），使得對精神處于緊張還是放松狀態(tài)的分類準確率達到74.5%。

1.4 運動功能測量

運動反映了人體最基本的功能。一些疾病，如腦卒中，帕金森會造成運動功能受損。隨著加速度傳感器的普及，基于它們的可穿戴運動功能評價研究日益廣泛。

韓國的Si-Jung Ryu等人[25]使用綁在兩個小臂上的三軸加速度傳感器來測量記錄患者日常生活中的運動情況。兩個傳感器協(xié)同測量，組成一個智能傳感系統(tǒng)，用來識別人體的運動信號并進行分類，了解使用者在日常生活中常用的姿勢。瑞士的Benoit Mariani等人[22]通過置于鞋子上的三軸加速度傳感器和陀螺儀，對帕金森患者的步態(tài)進行測量追蹤分析，捕捉步幅和步態(tài)特征，對其運動功能進行測試評估。

2 可穿戴設備在治療上的應用

2.1 糖尿病治療

糖尿病是一種終身性疾病，尚且無法完全治愈并且容易引發(fā)各類并發(fā)癥，嚴重影響患者的日常生活。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）資料表明，截至2011年中國糖尿病患者總人數(shù)達9420萬例，預計2025年全球糖尿病患者總人數(shù)將達到3億[18]。1型糖尿病患者由于自身產(chǎn)生胰島素的不足，常常需要借助注射胰島素來控制血糖濃度維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。每天空腹和飯后定時測量血糖是其中必不可少的環(huán)節(jié)。如若餐后2 h血糖濃度高于10 mol/L則需要注射胰島素。臨床上多采用注射筆進行注射胰島素，病人根據(jù)醫(yī)囑配置需要注射的胰島素量并注射。由于個人體質和運動量等因素不同，注射的量也不盡相同，每次詢問醫(yī)生更改注射量比較繁瑣。美敦力、DexCom等公司已經(jīng)推出精確、便攜的胰島素泵?？纱┐魇揭葝u素泵集成了連續(xù)血糖測定系統(tǒng)、計算注射量的控制系統(tǒng)、注射裝置三部分，可以連續(xù)監(jiān)測血糖并智能注射胰島素，有效地緩解了糖尿病帶來的健康危害。但是由于體積偏大，使用不夠方便。

日本的Naoyuki NAKANISHI等人[31]基于Bio-MEMS技術設計了一款手腕式胰島素泵，通過長度為3.8 mm、直徑為100 μ m的微針，輕緩地刺入腕下皮膚，病人不會感到疼痛。內(nèi)置的玻電極血糖傳感器通過電解產(chǎn)生內(nèi)部氣壓變化，調整抽取血液和注射胰島素的速率。血糖高則注射胰島素，血糖低則注射葡萄糖，從而將血糖穩(wěn)定在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi)。

2.2 腎病治療

腎衰竭是一種嚴重影響人類健康的疾病。近年來，世界各國救治的急、慢性腎衰竭患者的數(shù)量逐年增加，依比較保守的估計，全 世界每天約有超過10.6 萬個新病人進入常規(guī)血透治療，其中僅5%可望進行腎移植。截至2010年我國慢性腎功能衰竭發(fā)病率為每年每百萬人口 50～100 人[20]。由于腎臟功能受損，血液內(nèi)有害物質無法通過腎臟過濾去除，臨床上除進行腎移植，一般是通過每周2～3次的血液透析來過濾血液內(nèi)的有害物質，達到維持體內(nèi)酸堿平衡和電解質平衡的目的。目前正處于研究階段的“人工腎臟”是一種小型化的、模擬人體腎臟功能的裝置，它將血液抽出體外依據(jù)過濾、吸附、透析、膜分離等原理，排除血液中的新陳代謝產(chǎn)物，凈化血液并將處理后的血液引回體內(nèi)，提高了病人的健康水平[17]。

由美國的David B. N. Lee等人[14]提出的腹膜型可穿戴自動化人工腎臟（AWAK）是一種智能的可穿戴式人工腎臟。它不需要額外的回流血液，是一種“無血化”的人工腎。而且該裝置可以再利用腹膜透析液，因而不必購買新的透析液。同時這個人工腎也是“無水化”的，因為其吸附器組件可以再生水和具有蛋白質的透析液而不用浪費大量的水進行過濾沖洗。

歐盟2010年啟動的 Nephron+項目[19]，目的是研究新一代智能人工腎。在這個項目中，加入了直接吸附有害化合物的新型吸附墊過濾器，通過連續(xù)漸進式的過濾，比常規(guī)的腹腔透析更加有效的保證了病人的健康。同時，小巧的可穿戴式設計不會給患者造成更大的負擔，可穿戴式的長時間過濾效果也更顯著。

2.3 傷口感染檢測及治療

在美國，靜脈潰瘍等足下肢傷口感染帶來的損失每年高達30億美元，大約15%的糖尿病患者至少會有一個腳發(fā)生糖尿病足潰瘍。而在歐洲，每年糖尿病足部潰瘍的發(fā)病率在2.1%～3.6%[32]。目前臨床上治療下肢靜脈潰瘍的方法主要有壓力壓迫等基礎療法、藥物治療和理療等輔助手段、手術治療等全面治療。但是仍有研究發(fā)現(xiàn)，57%～67%的下肢靜脈潰瘍病人沒有得到系統(tǒng)、規(guī)范的治療和護理[33]。

為了更好地檢測并治療下肢靜脈潰瘍等傷口感染， 歐盟的第七科技框架計劃中的SWAN-iCare項目[9]使用可穿戴式負壓設備對傷口進行治療，加速傷口康復。該設備在膝蓋旁捆綁一個負壓治療裝置，使用可穿戴式傳感器測量足底和足后部的血氧飽和度等指標，同時在傷口位置貼上具有檢測傷口PH值、炎癥蛋白含量、控制水鹽平衡等功能的“敷料”。利用這個裝置，患者可以不間斷地監(jiān)測傷口康復情況同時不用耽誤日常生活。

2.4 手術導航

傳統(tǒng)的外科手術無論是術前規(guī)劃還是術中決定手術進程都依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗，像腦部或者脊椎的病變位置都是不可見的，醫(yī)生只能依據(jù)病人的病理特征進行手術，往往會造成手術開口大，術后恢復時間慢等問題[21]。計算機輔助手術導航為醫(yī)生實時顯示手術器械相對病灶部位解剖結構的位置和方向，為正在進行手術的醫(yī)生提供參考輔助。利用可穿戴技術和手術導航相結合，可以給予醫(yī)生更大的幫助。

谷歌眼鏡是谷歌公司推出的智能眼鏡，是可穿戴設備的標志性產(chǎn)品。谷歌眼鏡右上角為一塊液晶顯示屏，為實時顯示手術位置提供了可能。該設備提供二次開發(fā)工具，開發(fā)人員可以針對具體的應用需求進行軟件開發(fā)。中國科學技術大學的PENGFEI SHAO等人[28]設計了一款使用在谷歌眼鏡上的、針對癌癥腫瘤切除的可視化手術導航軟件。它令一個固定在手術臺邊的CCD相機和谷歌眼鏡共同工作，由CCD相機拍攝手術過程，在計算機上處理后由無線傳遞增強現(xiàn)實的圖像給谷歌眼鏡。醫(yī)生在進行癌癥手術的時候可以從谷歌眼鏡中獲得腫瘤位置的坐標，決定手術的進程，而不必分心關注計算機屏幕上的手術導航提示信息，提高了手術的準確度。

3 可穿戴設備在康復上的應用

3.1 功能康復訓練

康復醫(yī)學是一門促進傷殘患者身心功能康復的新治療學科，病、傷、殘患者借助于康復治療技術進行肢體功能恢復，以盡快的改善生活質量、融入社會[26]。傳統(tǒng)的康復治療需要康復師的人工輔助，耗費人力。采用可穿戴設備，輔助進行康復訓練，可以減少人力投入，提高康復訓練效果。

意大利的E. Sardini和M. Serpelloni等人[24]設計了一款幫助脊椎受損的病人輔助康復訓練裝置。該裝置包括一件帶有內(nèi)置電感傳感器的背心，其阻抗值反映患者軀干的彎曲程度。訓練過程中自動提示患者的訓練姿態(tài)，指導病人進行康復訓練。對于膝關節(jié)的康復，美國的Swamy Ananthanarayan等人[7]設計了一款名為“PT viz”的可穿戴式膝蓋康復輔助設備。該設備可以檢測膝蓋彎曲的角度，并根據(jù)角度的不同控制電致發(fā)光導線（EL）的明暗程度。用戶可直觀地了解膝蓋的康復程度。

可穿戴“機器人”也是康復領域的一大發(fā)展熱點。中國科學技術大學的梁文淵等人[29]研制了一款特定針對人體髖關節(jié)的助力機器人，能夠跟隨大腿一起完成3自由度的運動，實現(xiàn)人體髖關節(jié)3自由度助力，減輕髖關節(jié)受力。

3.2 帕金森病康復

帕金森病(PD)是繼阿爾茲海默癥之后第二常見的神經(jīng)退行性疾病，患病率在發(fā)達國家估占整個人口的0.3%，在超過60歲的人中大約有1%[15]。高患病率使更多的患者需要進行康復訓練，臨床上尚無較好的系統(tǒng)康復方法，多為護理人員根據(jù)病人的癥狀，輔助病人完成基本的行走、鍛煉等運動。重復的操作讓病人更適合使用無人監(jiān)督的可穿戴式設備代替護理人員進行自我康復訓練。

凍結步態(tài)是帕金森患者經(jīng)常出現(xiàn)的突然性行走邁步障礙。以色列的Sinziana Mazilu等人[23]設計了一款幫助帕金森患者克服凍結步態(tài)的可穿戴裝置“Gait-Assist”。它通過置于腳踝上的加速度傳感器自動檢測患者是否存在凍結步態(tài)。如果發(fā)生了凍結步態(tài)，裝置通過藍牙將狀態(tài)信息發(fā)送給智能手機，手機接收到狀態(tài)信息后通過耳機播放有節(jié)奏的聲音提示帕金森患者邁出步伐，克服凍結步態(tài)情況。意大利的M.Ferrarin等人[30]設計了一套可穿戴眼鏡，眼鏡左右兩側各安裝一個7×10的LED陣列。通過安裝在腳踝上的加速度傳感器自動檢測凍結步態(tài)，將檢測結果無線發(fā)送給眼鏡，眼鏡控制相應邁步的腳一側的LED發(fā)光，指示病人邁步。

4 結論及展望

在醫(yī)療領域，可穿戴技術已經(jīng)逐漸從應用研究走向了實際的應用。可穿戴設備的主要應用突破集中在兩個方面，一方面是為個人健康自我監(jiān)護提供了手段，滿足了個人健康監(jiān)護的需求，另一方面則是為醫(yī)療提供了新的診斷、治療手段，解決了臨床上重要的實際需求。

作為新型醫(yī)療設備，目前的可穿戴設備存在一些不足之處，比如動態(tài)測量條件下的信號可靠性，監(jiān)測設備長期使用的舒適性、方便性，個人數(shù)據(jù)的隱私保護等問題。需要在新型傳感技術、信號處理技術、芯片低功耗技術、電池供電技術等方面的持續(xù)創(chuàng)新，才能使得可穿戴設備能廣泛應用到人們的日常生活中。

移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來?？纱┐髟O備與移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析相結合，能夠實現(xiàn)疾病的早期發(fā)現(xiàn)和早期診斷，降低個人和社會的醫(yī)療成本，有效提升個人的健康水平，必將成為未來技術發(fā)展的重要方向。

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A Review of Wearable Technology in Medical Research and Application

HUANG Hai-cheng，WANG Feng
School of Biological Science and Medical Engineering, Soucheast University, Nanjing Jiangsu 2100%, China

Due to the aging of population and the rising incidence of chronic diseases, people paid more attention to personal health problems. Wearable technology is developing fast, and has been applied in medical research and application. This paper describes the research and application situation of wearable technology in fields of measurement, monitoring, therapy and rehabilitation, also summarizes some existing problems in technology, and prospects its future application.

wearable technology; healthcare; monitoring; therapy; rehabilitation

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.001

1674-1633(2015)01-0001-05

2014-10-05

國家自然科學基金項目資助（61179035）。

作者郵箱：feng.wang@seu.edu.cn