可穿戴技術(shù)及其在醫(yī)療中的應(yīng)用

徐月月

【摘要】自從2012年谷歌公司推出谷歌眼鏡以來，可穿戴技術(shù)及設(shè)備成為市場熱點(diǎn)，如與健康相關(guān)的可穿戴設(shè)備，包括運(yùn)動(dòng)手環(huán)，運(yùn)動(dòng)心率手表等。隨著人類生活水平的不斷提高，人口老齡化成為一個(gè)全球性的發(fā)展趨勢。目前，我國已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì)，老年人的健康和安全問題成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。實(shí)際上，隨著低功耗芯片技術(shù)、傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，可穿戴技術(shù)已經(jīng)得到迅速的發(fā)展，特別是，可穿戴技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用日益增多。本文介紹了可穿戴技術(shù)的相關(guān)概念，就其在醫(yī)療方面的應(yīng)用進(jìn)行具體闡述，并在此基礎(chǔ)之上，對(duì)于可穿戴技術(shù)在未來的應(yīng)用進(jìn)行了展望，還結(jié)合具體情況，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了簡單的設(shè)想。

【關(guān)鍵詞】可穿戴技術(shù) 醫(yī)療 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

一、可穿戴技術(shù)概述

（一）可穿戴技術(shù)概念

可穿戴技術(shù)（wearable technology，WT）是一種研究如何把科技功能整合到人們?nèi)粘ｋS身物品里面，并進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，開發(fā)出符合用戶要求和需求的穿戴設(shè)備的技術(shù)。最早是20世紀(jì)60年代由美國麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室提出的創(chuàng)新技術(shù)。利用該技術(shù)，可以把多媒體、傳感器和無線通信等技術(shù)嵌入人們的衣物中，可支持手勢和眼動(dòng)操作等多種交互方式，主要探索和創(chuàng)造能直接穿在身上或是整合進(jìn)用戶的衣服、配件的設(shè)備。采用的形式可以是珠寶、太陽眼鏡、背包等配飾，甚至是現(xiàn)實(shí)的服飾，比如鞋子或一件夾克。

（二）可穿戴技術(shù)的核心技術(shù)

（1）嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計(jì)算機(jī)，是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于町穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體積和存儲(chǔ)空間十分有限，操作系統(tǒng)應(yīng)盡量壓縮到“專用”的程度，并提高實(shí)時(shí)性。這使得嵌入式操作系統(tǒng)成為必要，這類系統(tǒng)常常是實(shí)時(shí)的和微內(nèi)核的，并具有極強(qiáng)的處理多外設(shè)能力。

（2）無線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。町穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要伴隨人的活動(dòng)并作為一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)，多個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)，稱之為自組網(wǎng)。在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)，不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持就能快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，它是一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的多跳頻、臨時(shí)性自治系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與分析挖掘技術(shù)。可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要在移動(dòng)中訪問數(shù)據(jù)庫，這類移動(dòng)式的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)將有別于固定的數(shù)據(jù)庫管理。移動(dòng)數(shù)據(jù)庫具備以下特性：支持多種連接協(xié)議、完備的嵌入式數(shù)據(jù)庫的管理功能、支持多種嵌入式操作系統(tǒng)。

（4）人機(jī)交互技術(shù)?？纱┐饔?jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)人與計(jì)算機(jī)密不可分的集合體，因此人機(jī)交互技術(shù)是可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它解決了人與計(jì)算機(jī)之間的交互問題，通過這種交互提高了對(duì)環(huán)境的感知能力。

（三）可穿戴技術(shù)的特征

（1）可穿戴?？纱┐髟O(shè)備是平臺(tái)微型化、輕巧化、便攜化、簡約化，穿在用戶身上，人與設(shè)備的物理和思維關(guān)系更緊密，特別是在荒漠、水下等嚴(yán)酷環(huán)境都能進(jìn)行操作和使用。例如，智能紐扣照相機(jī)就能像一般紐扣一樣穿戴在衣服上。

（2）移動(dòng)性。伴隨著用戶的日?；顒?dòng)，用戶可隨時(shí)操作。例如，會(huì)說話的智能鞋子，安置于鞋身各個(gè)部位的傳感器可以收集鞋子的運(yùn)動(dòng)信息并發(fā)出俏皮的語音評(píng)論，與手機(jī)應(yīng)用連接，你如果久坐不動(dòng)，鞋子會(huì)告訴你：“好無聊的時(shí)間，你需要?jiǎng)悠饋??！?/p>

（3）交互性?？纱┐髟O(shè)備在幫助用戶獲取所需手機(jī)數(shù)據(jù)的同時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)結(jié)果以可視化的形式向用戶進(jìn)行呈現(xiàn)。例如，蘋果i Watch可以撥打電話和收發(fā)信息，也可以播放音樂和Siri語音搜索。

（4）集成性。用戶身上的佩戴空間是有限的，可穿戴設(shè)備的需求是無限的。你不能把無限的穿戴設(shè)備全部掛在有限的身體空間上，多合一、具有豐富功能是用戶的期待。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員創(chuàng)建了一次性的可嵌入傳感器，可以分析一個(gè)人的汗水和唾液，進(jìn)而改善人們的健康。

二、可穿戴技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的具體應(yīng)用

近些年來，可穿戴技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，涉及的領(lǐng)域也越來越多。本文就可穿戴技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

（一）可穿戴設(shè)備在測量及監(jiān)護(hù)上的應(yīng)用

（1）心臟監(jiān)護(hù)。心臟檢查方法主要分為侵入式檢查和非侵入式檢查。侵入式檢查方法監(jiān)測雖然結(jié)果準(zhǔn)確度高，但會(huì)給患者帶來一些創(chuàng)傷，并不適合家庭使用；非侵入式檢查主要是通過心電圖（Electrocardiogram，ECG）方法進(jìn)行檢測，主要包括常規(guī)心電圖與Holter動(dòng)態(tài)心電圖，此類方法無創(chuàng)傷，能較為準(zhǔn)確地判斷心臟的生理功能，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確度比較高，然而常規(guī)心電圖方法只能記錄短時(shí)間心電信號(hào)，Holter動(dòng)態(tài)心電圖存在穿戴舒適度較低，難以做到長時(shí)間監(jiān)測的缺陷。

翟紅藝等研制一款監(jiān)測心電異常的可穿戴鍍銀織物，克服了傳統(tǒng)上通過導(dǎo)聯(lián)線來檢測的缺點(diǎn)，采用織物電極以及連接導(dǎo)線的衣服來記錄心電信號(hào)。Vitaleonneet公司研制可貼式心臟監(jiān)護(hù)儀設(shè)備Heart Patch，用戶通過貼附至胸部便可檢測出心率、體溫、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等八項(xiàng)指標(biāo)測量。此外，對(duì)于可能存在心臟驟停風(fēng)險(xiǎn)的患者，ZOLL公司研制的可穿戴式除顫器Life Vest能幫助患者監(jiān)測心律失常等情況，并且對(duì)于遭受嚴(yán)重心臟病發(fā)作的患者可以進(jìn)行緊急除顫，病人出現(xiàn)喪失意識(shí)情形時(shí)，設(shè)備通過電擊讓患者恢復(fù)正常心律。

（2）睡眠監(jiān)護(hù)。睡眠是幫助人體恢復(fù)機(jī)能最直接方式，良好睡眠對(duì)人們保持充沛精力有著積極作用。隨著人們生活節(jié)奏加快、社會(huì)壓力驟增，睡眠問題已經(jīng)成為了影響人們生活與工作一大因素，如何改善睡眠質(zhì)量，加強(qiáng)睡眠監(jiān)護(hù)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

浙江大學(xué)的胡裕軒設(shè)計(jì)了一款功能相對(duì)簡單，適用性更廣的便攜式睡眠監(jiān)護(hù)儀。他發(fā)現(xiàn)腦電、下頜肌電、眼電信號(hào)適合作為睡眠分期的標(biāo)準(zhǔn)；心電、血氧飽和度、呼吸脈搏波適合作為監(jiān)測睡眠質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。他通過6路EEG頭皮腦電信號(hào)、2路眼電信號(hào)、2路肌電信號(hào)、3導(dǎo)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(hào)，儲(chǔ)存于便攜可穿戴式的存儲(chǔ)設(shè)備中。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)備可以很好地記錄睡眠時(shí)的各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，為分析睡眠質(zhì)量提供了可靠依據(jù)。

（3）精神壓力檢測。當(dāng)下是一個(gè)高速發(fā)展的社會(huì)，由于種種原因，人們都在不懈地奮斗，生活節(jié)奏非?？臁Ｌ貏e是，對(duì)于生活在一線城市的年輕人來說，每天都面臨著來自各個(gè)方面的壓力。研究表明，長期處于精神高壓狀態(tài)下的人，更容易患上精神疾病。由壓力過大帶來的各種問題已經(jīng)成為辦公室環(huán)境中的第二大問題。

為了更好的記錄日常生活中各種環(huán)境帶來的精神壓力，李延軍等人采用約束負(fù)荷強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)時(shí)間等因素的方法，由牛津儀器的Medilog AR12可穿戴式心電圖機(jī)采集ECG數(shù)據(jù)，后用Matlab處理得到HRV數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)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(fù)荷是一個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，從而有利于解決現(xiàn)代人的精神壓力問題。

（二）可穿戴設(shè)備在治療上的應(yīng)用

（1）糖尿病治療。隨著生活水平的提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。每日吃的食物含糖量明顯增加。但是，快節(jié)奏的生活，使得人們運(yùn)動(dòng)量不足，于是，健康問題就日益顯現(xiàn)出來。其中，糖尿病及其并發(fā)癥更為明顯。據(jù)報(bào)道，目前中國糖尿病發(fā)病率高達(dá)9.6%，嚴(yán)重的需要注射胰島素來維持正常的血糖含量，嚴(yán)重影響著患者的日常生活。

日本的Naoyuki NAKANISHI等人基于Bio MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)了一款手腕式胰島素泵，通過長度為3.8mm、直徑為100 μm的微針，輕緩地刺入腕下皮膚，病人不會(huì)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(diào)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(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

（2）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(dá)30億美元，大約15%的糖尿病患者至少會(huì)有一個(gè)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%。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(chǔ)療法、藥物治療和理療等輔助手段、手術(shù)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(hù)理。

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(jì)劃中的SWAN-i Care項(xiàng)目使用可穿戴式負(fù)壓設(shè)備對(duì)傷口進(jìn)行治療，加速傷口康復(fù)。該設(shè)備在膝蓋旁捆綁一個(gè)負(fù)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(biāo)，同時(shí)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(gè)裝置，患者可以不問斷地監(jiān)測傷口康復(fù)情況同時(shí)不用耽誤日常生活。

（三）可穿戴設(shè)備在康復(fù)上的應(yīng)用

（1）骨科康復(fù)。目前骨關(guān)節(jié)炎的治療方法主要為基于運(yùn)動(dòng)療法的康復(fù)治療。運(yùn)動(dòng)療法可使患者減少疼痛，增強(qiáng)關(guān)節(jié)功能和生活質(zhì)量。然而多數(shù)骨關(guān)節(jié)炎患者不能長期遵守康復(fù)計(jì)劃，從而影響和降低運(yùn)動(dòng)療法的效果。Papi等開發(fā)了一種可穿戴式膝關(guān)節(jié)監(jiān)測裝置來監(jiān)測骨關(guān)節(jié)炎患者的膝關(guān)節(jié)功能狀態(tài)。

多數(shù)骨科患者有異常運(yùn)動(dòng)模式。美國猶他大學(xué)的研究者發(fā)明了一種可穿戴式智能鞋，可以顯著改善下肢骨折和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的異常運(yùn)動(dòng)模式。

手功能康復(fù)也是骨科康復(fù)的重要部分。Cempini等發(fā)明了一種可穿戴式外骨骼手，以改善患者的手功能，并且具有舒適性、耐磨性以及安全性高等特點(diǎn)。

（2）帕金森病康復(fù)。帕金森?。≒D）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(dá)國家估占整個(gè)人口的O.3%，在超過60歲的人中大約有1%。高患病率使更多的患者需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，臨床上尚無較好的系統(tǒng)康復(fù)方法，多為護(hù)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(yùn)動(dòng)。重復(fù)的操作讓病人更適合使用無人監(jiān)督的可穿戴式設(shè)備代替護(hù)理人員進(jìn)行自我康復(fù)訓(xùn)練。凍結(jié)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等人設(shè)計(jì)了一款幫助帕金森患者克服凍結(jié)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(dòng)檢測患者是否存在凍結(jié)步態(tài)。如果發(fā)生了凍結(jié)步態(tài)，裝置通過藍(lán)牙將狀態(tài)信息發(fā)送給智能手機(jī)，手機(jī)接收到狀態(tài)信息后通過耳機(jī)播放有節(jié)奏的聲音提示帕金森患者邁出步伐，克服凍結(jié)步態(tài)情況。意大利的M.Ferrarin等人設(shè)計(jì)了一套可穿戴眼鏡，眼鏡左右兩側(cè)各安裝一個(gè)7×10的LED陣列。通過安裝在腳踝上的加速度傳感器自動(dòng)檢測凍結(jié)步態(tài)，將檢測結(jié)果無線發(fā)送給眼鏡，眼鏡控制相應(yīng)邁步的腳一側(cè)的LED發(fā)光，指示病人邁步。

三、可穿戴技術(shù)應(yīng)用展望

現(xiàn)階段，可穿戴技術(shù)大多數(shù)還只是停留在“可穿戴”上，比如穿戴在人的身體上或者安裝在物體的某個(gè)部位，隨著技術(shù)地不斷發(fā)展，可穿戴技術(shù)在未來將向著可植入式、嵌入式方向發(fā)展。就像現(xiàn)在的RFID一樣，可以嵌入在物體內(nèi)部進(jìn)行適時(shí)地監(jiān)測。未來，可穿戴技術(shù)也有町能植入人體內(nèi)，用于痛細(xì)胞的監(jiān)測。目前，癌癥的治療在醫(yī)療上還存在著很大的缺陷。首先，癌癥早期不易察覺和發(fā)現(xiàn)，這就影響了癌癥的早期治療。其次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)，往往大多數(shù)都是處于癌癥晚期，給治療增加了難度。加上目前我國的針對(duì)癌癥治療技術(shù)水平有限，使得患者生還的幾率很低。所以，未來可以針對(duì)癌癥監(jiān)測設(shè)計(jì)一款可植入人體的可穿戴技術(shù)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測痛細(xì)胞的變化。一旦，癌細(xì)胞出現(xiàn)異常情況，可穿戴技術(shù)就會(huì)向身體發(fā)生“報(bào)警”信號(hào)，讓人們第一時(shí)間知道自己的身體狀況，及時(shí)的到醫(yī)院進(jìn)行就診，避免病情的進(jìn)一步惡化。

另外，現(xiàn)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了智慧家居、智慧物流、智慧城市等，那么，可穿戴技術(shù)在未來要想獲得更大的發(fā)展空間，就應(yīng)該搭乘互聯(lián)網(wǎng)的順風(fēng)車。將可穿戴設(shè)備、醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等結(jié)合，形成智慧醫(yī)療，更好的為人們服務(wù)。

四、總結(jié)

在醫(yī)療領(lǐng)域，可穿戴技術(shù)已經(jīng)逐漸從應(yīng)用研究走向了實(shí)際的應(yīng)用。作為新型醫(yī)療設(shè)備，目前的可穿戴設(shè)備存在一些不足之處，比如動(dòng)態(tài)測量條件下的信號(hào)可靠性，監(jiān)測設(shè)備長期使用的舒適性、方便性，個(gè)人數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)等問題。需要在新型傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、芯片低功耗技術(shù)、電池供電技術(shù)等方面的持續(xù)創(chuàng)新，才能使得可穿戴設(shè)備能廣泛應(yīng)用到人們的日常生活中。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來?？纱┐髟O(shè)備與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)疾病的早期發(fā)現(xiàn)和早期診斷，降低個(gè)人和社會(huì)的醫(yī)療成本，有效提升個(gè)人的健康水平，必將成為未來技術(shù)發(fā)展的重要方向。

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