淺談可穿戴設(shè)備在人體健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

河北正定中學(xué) 趙君豪

近年來我國老齡化程度日益加劇，各種慢性病患者數(shù)量呈逐年增長態(tài)勢。越來越多的人也更關(guān)注自身的健康問題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能硬件的快速發(fā)展，使得可穿戴設(shè)備成為當(dāng)前研究的熱點。將可穿戴設(shè)備應(yīng)用于人體健康監(jiān)測領(lǐng)域，為疾病的監(jiān)測與診療提供了一條新的路徑，已成為當(dāng)前醫(yī)療器械創(chuàng)新的一個熱點?；诖?，本文簡要介紹了可穿戴設(shè)備在人體健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。

1.可穿戴醫(yī)療設(shè)備的概念

當(dāng)前，國際上所公認(rèn)的可穿戴設(shè)備的定義是將計算機“穿戴”在人體上的有傳感器、驅(qū)動器、顯示器、計算機元素構(gòu)成的物理世界，并利用無線網(wǎng)絡(luò)連接，為人們提供了一個有趣的數(shù)字世界，讓人們的生活更舒適便利的一種設(shè)備。這類設(shè)備具有可穿戴性、可移動性、可交互性、可持續(xù)性、操作簡便等優(yōu)點[1]?？纱┐麽t(yī)療設(shè)備是將傳感器、多媒體、無線通信等技術(shù)嵌入到如手表、手環(huán)、眼鏡、鞋襪等日常服飾中。通過緊體的佩戴方式實現(xiàn)隨時隨地監(jiān)測健康體征，包括血壓、血糖、體溫、心率、呼吸頻率、血氧含量等。

2.可穿戴醫(yī)療設(shè)備的分類

近年來隨著健康醫(yī)療可穿戴設(shè)備市場的興起，大量設(shè)備制造商涌入。統(tǒng)計顯示，我國有103家企業(yè)研發(fā)了148余款可穿戴醫(yī)療設(shè)備。常見的設(shè)備形態(tài)包括頭帶、項鏈、眼鏡、馬甲、衣服、腰帶、手表、手環(huán)、腳環(huán)等。其中，以手表、手環(huán)最為常見，大多用于監(jiān)測健康情況，如運動、睡眠、心率及周圍環(huán)境相關(guān)參數(shù)等。此外，還有少數(shù)手環(huán)、手表融入了先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了基于光學(xué)傳感器的血壓水平與血液成分的監(jiān)測。按采集模式分類，可穿戴設(shè)備分為三種，包括定時采集、需要時采集、不間斷采集。這主要由用戶需求與應(yīng)用場景來決定?？纱┐髟O(shè)備采集的數(shù)據(jù)主要有血壓、心電、心率、呼吸、運動步數(shù)、卡路里等生理參數(shù)，血液、尿液、淚液、血紅蛋白、白血球等生化數(shù)據(jù)，身體各部位照片與便攜式B超等影像數(shù)據(jù)[2]。根據(jù)設(shè)備功能用途來分，可穿戴設(shè)備可分為健康監(jiān)測、篩查、診斷、治療、干預(yù)等多種。

3.可穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 心臟監(jiān)護(hù)

心臟病是當(dāng)前威脅人類健康的主要疾病之一。據(jù)數(shù)據(jù)顯示國內(nèi)因心臟疾病致死的人數(shù)僅次于腫瘤、腦血管疾病[1]。而心臟疾病的發(fā)作具有突發(fā)性與隨機性的特點，不少患者往往錯過了最佳救治時間而使病情加重，甚至死亡。另據(jù)研究顯示，心臟驟停大多死于院外，占比為60%～75%，原因就是缺乏有效的監(jiān)護(hù)[2]?？梢?，日常的監(jiān)護(hù)是發(fā)現(xiàn)與防控心臟類疾病的有效手段。

目前，臨床主要通過心電圖（ECG）來診斷心臟疾病。動態(tài)心電圖儀雖能24h連續(xù)監(jiān)測心電數(shù)據(jù)，也易發(fā)現(xiàn)常規(guī)ECG難以發(fā)現(xiàn)的心臟異常問題。但是它需要將7個電極貼在患者腹部與胸前，嚴(yán)重影響到患者的生活，而且長時間佩戴也易引起皮膚瘙癢等不良反應(yīng)。因此，難以完成7天以上的長時間監(jiān)測。翟紅藝等人研發(fā)了穿戴衣，用鍍銀織物電極取代了傳統(tǒng)粘性電極，從而解決了導(dǎo)電膠對皮膚的刺激問題，也能避免粘性電極長期使用后電極性能的減弱。穿戴衣共有4個織物電極，分別貼在左右胸骨柄、下腹部兩側(cè)，并與衣服內(nèi)置導(dǎo)線及數(shù)據(jù)采集裝置相連，可提供三通道心電信號。研究結(jié)果顯示，穿衣者在行走、上下樓梯、搬運輕物時，穿戴衣檢測到的R波平均識別準(zhǔn)確率為96.37%[3]。此外，有人研發(fā)了端到端的遠(yuǎn)程心臟監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，由智能心電節(jié)點、智能手機APP、移動健康平臺組成。該遠(yuǎn)程心臟監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可采集心電數(shù)據(jù)、對信號質(zhì)量進(jìn)行分析，篩查與評估心律失常。用戶佩戴智能心電節(jié)點，所采集的心電數(shù)據(jù)經(jīng)低功耗藍(lán)牙實時傳輸?shù)街悄苁謾C上。智能手機利用信號質(zhì)量檢測算法分析心電數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果。用戶根據(jù)結(jié)果顯示調(diào)整佩戴位置。若心電數(shù)據(jù)信號質(zhì)量是合格的，智能手機會對心電數(shù)據(jù)保存一段時間（如半分鐘），并利用智能算法進(jìn)行分析，判斷心律是否失常，并對心律失常嚴(yán)重程度進(jìn)行評估。最后，利用移動健康創(chuàng)新平臺共享相關(guān)原始心電數(shù)據(jù)與算法分析結(jié)果，由醫(yī)生判斷是否有異常，并及時通知用戶到醫(yī)院。

3.2 睡眠監(jiān)護(hù)

我國有近50%的人存在不同程度的睡眠障礙問題，主要包括失眠癥、睡眠呼吸暫停綜合癥、嗜睡癥等。監(jiān)測睡眠的目的是為了判斷睡眠質(zhì)量，便于發(fā)現(xiàn)睡眠疾病，如常見的睡眠呼吸暫停綜合癥。張政波等人設(shè)計了穿戴式呼吸感應(yīng)體積描記系統(tǒng)（RIP），將生命信息檢測技術(shù)融入到可穿戴技術(shù)中，并成功應(yīng)用到睡眠醫(yī)學(xué)研究中。該設(shè)備為背心式，可得到胸、腹呼吸波等數(shù)據(jù)，并在呼吸用力相關(guān)性微覺醒的判斷方面有著一定的優(yōu)勢。該設(shè)備可應(yīng)用于家庭與社區(qū)的睡眠呼吸事件的監(jiān)測。ActiGraph活動記錄儀則是一種可穿戴的智能化電子設(shè)備，能自動識別佩戴時間與入睡時間，主要用于監(jiān)測與判斷睡眠錯覺、睡眠中斷性失眠及生物節(jié)律紊亂等疾病。該設(shè)備出具的數(shù)據(jù)具有極高的信度與效度，基本符合多導(dǎo)睡眠監(jiān)測報告結(jié)果。

3.3 關(guān)節(jié)運動功能監(jiān)護(hù)

可穿戴設(shè)備可借助加速度與肌電傳感器來獲取運動及運動肌的活動模式，進(jìn)而監(jiān)測運動肌的功能。一般可用監(jiān)測中風(fēng)或帕金森患者的不自主運動情況。通過對步態(tài)的測量追蹤分析，通過捕捉步態(tài)特點與步幅來測試評估人們的運動功能。比如，瑞士的Benoit Mariani等人在鞋子內(nèi)植入了陀螺儀與三軸加速度傳感器，便于對帕金森患者步態(tài)的實時追蹤測量分析，以對其運動功能進(jìn)行評估。將微信傳感器、無線通信技術(shù)以及位置服務(wù)系統(tǒng)、相關(guān)跌倒檢測技術(shù)應(yīng)用到該設(shè)備中可實現(xiàn)對老年人是否跌倒的遠(yuǎn)程監(jiān)測[4]。此外，另有研究者把導(dǎo)電纖維嵌入到舒適富有彈性的面料中制作成可穿戴的褲子，利用導(dǎo)電纖維傳感器監(jiān)測髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的聯(lián)合運動情況，從而更精確地量化關(guān)節(jié)運動。這能用于監(jiān)測殘疾人員或下肢受傷者的下肢關(guān)節(jié)運動情況，評價他們的生活質(zhì)量。

3.4 血糖、血壓等指標(biāo)監(jiān)測

對于糖尿病、高血壓患者來說需要長期監(jiān)測自己的血糖或血壓水平，可穿戴設(shè)備使這個問題更簡單、可操作性更強。美敦力、Dex-Com等公司已研發(fā)出便攜的胰島素泵。可穿戴式胰島素泵由三部分組成，包括注射裝置、連續(xù)血糖測定系統(tǒng)、計算注射量的控制系統(tǒng)。該胰島素泵能連續(xù)監(jiān)測血糖水平，并智能注射胰島素，但缺點在于體積稍大，使用不夠方便。日本人Naoyuki NAKANISHI運用Bio-MEMS技術(shù)研發(fā)了一種手腕式胰島素泵，微針僅3.8mm長，直徑為100μm，刺入皮膚后不會有明顯痛感。同時，可智能化控制胰島素的注射速率與注射量，將血糖保持在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。此外，Mumu可穿戴上臂式智能血壓計可根據(jù)患者設(shè)定時間來監(jiān)測血壓，并利用云端備份數(shù)據(jù)，對血壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，便于患者的血壓管理。

4.可穿戴設(shè)備的需求與前景

根據(jù)我國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2016-2020年我國可穿戴設(shè)備市場深度調(diào)查分析及發(fā)展趨勢研究報告可知，在未來幾年中可穿戴設(shè)備行業(yè)的技術(shù)突破點及投資重點將圍繞以下三方面開展：

4.1 健康、運動及醫(yī)療產(chǎn)品

伴隨著公眾生活水平的日益提高，個人保健意識也日益增強。因此，健康、運動及醫(yī)療市場需求明顯增加，可穿戴設(shè)備行業(yè)也迎來了發(fā)展的大好時機。這是可穿戴設(shè)備行業(yè)發(fā)展的市場需求與方向。

4.2 外觀設(shè)計、材料工藝

產(chǎn)品的外觀設(shè)計與材料工藝不僅會影響產(chǎn)品的品質(zhì)，也直接影響著用戶的選擇。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，大部分智能硬件產(chǎn)品的消費者為男性，占比為85%[5]。由于女性更關(guān)注產(chǎn)品的外觀設(shè)計，而由于可穿戴設(shè)備行業(yè)發(fā)展正處于初期階段，水平有限，因此，難以讓女性成為行業(yè)目標(biāo)受眾。隨著技術(shù)的完善，可以預(yù)計外形美觀，質(zhì)感好的產(chǎn)品也會逐漸吸引更多的女性消費者。而運動手環(huán)、智能皮帶等設(shè)備具有較高的市場潛力。未來的可穿戴設(shè)備會使用與人體更貼合的紡織材料、貼片，為用戶提供無感知化的使用體驗。

4.3 能源問題的突破

目前，大多數(shù)可穿戴設(shè)備存在電池續(xù)航時間短，待機時間短等問題。這也是所有智能產(chǎn)品的軟肋，尚無有效的解決措施。由于電池續(xù)航能力主要與體積大小有關(guān)，而可穿戴設(shè)備一般要求小體積，從而導(dǎo)致了產(chǎn)品外觀與續(xù)航間的矛盾。未來將大容量小體積的薄膜微電池、集成多傳感器的SoC芯片、Power Gating超低功耗技術(shù)應(yīng)用到這一領(lǐng)域可進(jìn)一步減少可穿戴設(shè)備的功耗，縮小產(chǎn)品外形體積。

總之，可穿戴設(shè)備作為一個新興產(chǎn)業(yè)，具有良好的發(fā)展前景與廣闊的市場空間。在醫(yī)療領(lǐng)域可穿戴設(shè)備正從應(yīng)用研究走向了實際的應(yīng)用。除了監(jiān)測用戶個人健康外，還能夠為醫(yī)療提供新的診斷與治療手段，有效解決了臨床方面的實際需求。當(dāng)然，作為一種新型醫(yī)療設(shè)備，可穿戴設(shè)備還存在很多不足亟待解決，如舒適性、方便性、低功耗等問題。這需要研發(fā)人員進(jìn)一步的開發(fā)，將各種先進(jìn)技術(shù)融入到可穿戴設(shè)備中，并借助互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對疾病的早期發(fā)現(xiàn)與早期診斷，為人們的健康做好保障。

[1]梅策香,柳鈺,曾利霞.可穿戴設(shè)備在人體健康監(jiān)測中的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子世界,2016,27(19):8-10.

[2]壽文卉,王義,王博,等.可穿戴及便攜式設(shè)備在健康醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用分析[J].互聯(lián)網(wǎng)天地,2015,23(8):26-27.

[3]孫焱,戴啟銳.可穿戴設(shè)備與醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)關(guān)系研究及發(fā)展趨勢分析[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2015,31(8):25-28.

[4]孫斐.以用戶為中心的老年人可穿戴產(chǎn)品設(shè)計研究[J].包裝工程,2016,37(8):158-161.

[5]肖笛.可穿戴設(shè)備與人的融合[J].科技與創(chuàng)新,2015,24(10):95-97.