可穿戴技術(shù)在人體健康監(jiān)測中的應(yīng)用進展

劉亞男， 叢 杉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院， 上海 201620)

可穿戴技術(shù)主要探索和創(chuàng)造能直接穿在身上，或是整合進用戶衣服或配件設(shè)備的科學(xué)技術(shù)[1]。1966年美國麻省理工學(xué)院學(xué)生索普和香農(nóng)等研制的用于輪盤賭的設(shè)備是歷史上第1個智能可穿戴設(shè)備[2]。從此可穿戴技術(shù)逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，同時隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展而日趨成熟，不僅為人們提供了更加便捷的生活娛樂方式，更在醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域頗有造詣。其受益對象更是涉及到了老人、兒童、孕婦以及病人等這些具有生理或心理障礙的人群，足以見得可穿戴技術(shù)在人體健康監(jiān)測中變得尤為重要。而就目前的可穿戴設(shè)備來看，在消費者對產(chǎn)品的需求度與接受度、服裝的舒適度以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的可信度等方面仍存在局限性。

在這個智能的時代，可穿戴技術(shù)可謂引領(lǐng)服裝市場邁入了一個新的發(fā)展方向。隨著現(xiàn)代人們個性化需求以及對生活品質(zhì)的提升，未來可穿戴設(shè)備將在材料、實用價值以及數(shù)據(jù)的提取與防護等方面繼續(xù)發(fā)展，本文以監(jiān)測對象為出發(fā)點，對健康監(jiān)測領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備及技術(shù)進行研究，重在突出不同消費者對可穿戴設(shè)備的個性化需求，從而實現(xiàn)更高的應(yīng)用價值，讓更多的消費者受益。

1 監(jiān)測對象及主要功能

目前各類可穿戴設(shè)備已逐漸出現(xiàn)在人們的視野甚至生活中。下面將以監(jiān)測對象分類介紹其主要產(chǎn)品形態(tài)及功能現(xiàn)狀。

1.1 老年監(jiān)測

隨著我國人民生活水平的提高以及人口老齡化的速度在不斷加快，作為相對弱勢的群體，其健康狀況越來越引起社會大眾的關(guān)注[3]。老年可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備如表1所示。目前國內(nèi)市場上面向老年人健康監(jiān)測的可穿戴產(chǎn)品主要有：智能手表/手環(huán)[4-5]、智能拐杖、3G定位吊墜[6]、電子血壓計、可穿戴式智能心電圖監(jiān)護儀[7]、享睡智能紐扣、智能心率服、智能調(diào)溫服等[8]。

表1 老年健康監(jiān)測Tab.1 Health monitoring for elderly

1.2 兒童監(jiān)測

兒童作為一個家庭和民族的希望，其健康問題不容忽視，為此大量研究人員針對兒童安全監(jiān)測、姿勢監(jiān)測等方面進行了相關(guān)研究[9-10]，如表2所示。目前，國內(nèi)市場上面向兒童健康監(jiān)測的可穿戴產(chǎn)品主要有：智能手表/手環(huán)/腕帶、可穿戴式嬰幼兒測溫計、可穿戴式兒童物理退熱儀、可穿戴式藍牙版腦波頭帶、云+智能眼鏡等[11-12]。

表2 兒童健康監(jiān)測Tab.2 Health monitoring for child

1.3 孕婦監(jiān)測

相比老人和兒童來說，孕婦的健康監(jiān)測主要體現(xiàn)在胎心宮縮監(jiān)測方面。多普勒超聲監(jiān)測[13]應(yīng)用多普勒原理監(jiān)測胎兒心臟的運動，從而計算其胎心率；美國Mind Child公司開發(fā)的MERIDIAN[14]可穿戴胎兒心率監(jiān)視器，可監(jiān)測胎兒心率、孕婦心率以及子宮活動。使孕婦及胎兒的身體指標及健康狀況得到及時有效的監(jiān)測，避免意外事故的發(fā)生。目前，國內(nèi)市場上面向孕婦健康監(jiān)測的可穿戴產(chǎn)品主要是可穿戴式胎心監(jiān)測設(shè)備、可穿戴式胎心胎動儀、防孕吐手環(huán)。

1.4 病人監(jiān)測

病人的健康監(jiān)測是這幾類監(jiān)測對象中最主要的一類，其研究主要包含術(shù)后監(jiān)控與恢復(fù)、糖尿病監(jiān)測、帕金森癥患者引導(dǎo)3個方面[15-17]，如表3所示。目前，國內(nèi)市場上面向病人健康監(jiān)測的可穿戴產(chǎn)品主要有：智能防抖勺、便攜式智能肺呼吸儀、智能襪子、助視器等[18]。

表3 病人健康監(jiān)測Tab.3 Health monitoring for patient

2 相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

可穿戴技術(shù)為人體健康監(jiān)測提供了許多安全有效的設(shè)備，而這些設(shè)備的運行與實現(xiàn)都依靠于各種可穿戴技術(shù)的應(yīng)用，其中包括傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)以及信息反饋技術(shù)3個主要的方面。

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器是用于人體感知和數(shù)據(jù)收集的設(shè)備，目前用于人體健康監(jiān)測的傳感器技術(shù)主要包括生物傳感器、運動傳感器和環(huán)境傳感器3類。

2.1.1生物傳感器

生物傳感器通過提取具有感知作用的生物材料，將其轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測。在人體健康監(jiān)測中用于采集人體的生命體征信號，是人體生理指標的重要數(shù)據(jù)來源。PPG傳感器[19]通過反射光來監(jiān)測血流量和心臟跳動計算心率，目前廣泛應(yīng)用于個人、家庭及大規(guī)模人群的生理健康監(jiān)測；用石墨烯制作的柔性力學(xué)傳感器準確度達到醫(yī)療級，對血壓實時監(jiān)測；電化學(xué)生物傳感器[20-21]實現(xiàn)非侵入式的葡萄糖檢測設(shè)備，對血糖有控制與改善效果。

2.1.2運動傳感器

運動傳感器是通過獲取人體的動作，將人體運動時所產(chǎn)生的加速度變化轉(zhuǎn)化為電信號，反饋給計算機。運動處理傳感器MPU6050[22]是集加速度計和陀螺儀于一體的三軸加速度傳感器，在胸部監(jiān)測人體的姿態(tài)信號，獲取加速度特征值；MEMS慣性運動傳感器用于對患者運動數(shù)據(jù)的采集[23]；NTMotion可穿戴傳感器穿戴于患者小腿、大腿和腰背處，結(jié)合智能手機實現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)的在線檢測[24]。

2.1.3環(huán)境傳感器

環(huán)境傳感器主要用來感應(yīng)周圍環(huán)境的變化，通過敏感元件阻值的變化改變輸出電信號的電壓值。DHT11溫濕度傳感器包括1個電阻式感濕元件和 1個 NTC測溫元件，功耗極低，信號傳輸距離可達 20 m以上[25]；氣敏傳感器主要應(yīng)用于電子鼻技術(shù)[26]，對氣味識別以及糖尿病監(jiān)測有較大的貢獻。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)

可穿戴設(shè)備得以運行的一項關(guān)鍵技術(shù)就是數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的電子平臺有Arduino、STM32等，在可穿戴技術(shù)的人機交互方面發(fā)揮了重要的作用。

2.2.1Arduino平臺

Arduino作為一種開源電子原型平臺，具有IDE集成開發(fā)環(huán)境，用戶可以通過USB接口直接進行編程和通信[27]。Arduino在國外已廣泛應(yīng)用到各類服飾化妝技術(shù)、LED信號燈、環(huán)境監(jiān)測和電子藝術(shù)品開發(fā)等方面，是一種開放式的人機互動產(chǎn)品軟硬件平臺[28-29]。由此可見，Arduino可較好地應(yīng)用到可穿戴技術(shù)中，通過其開放式特點進行個性化或者專業(yè)化的設(shè)計。

2.2.2STM32控制器

STM32是一款功能較全、成本較低、高性能、低功耗的微控制器應(yīng)用產(chǎn)品，其在可穿戴技術(shù)、醫(yī)療電子、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子以及無人機領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其中STM32F429應(yīng)用于人體運動監(jiān)測中記步和手勢控制以及心率監(jiān)測；STM32L476醫(yī)學(xué)級智能手表，結(jié)合脈搏波測量方案對人體血壓、睡眠以及運動等進行監(jiān)測。STM32F411可對中短途相對位置進行輔助定位，用于兒童安全定位監(jiān)測。隨著STM32的不斷優(yōu)化升級，其在人體健康監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒆龀龈嗟呢暙I。

2.3 無線通信技術(shù)

作為可穿戴設(shè)備，為滿足攜帶方便、穿脫方便、操作靈活、安全性高以及低功耗等特點，無線通信設(shè)備起到至關(guān)重要的作用。無線通信技術(shù)主要包括BLE、ZigBee、RFID、NFC等。

2.3.1BLE藍牙低功耗技術(shù)

BLE藍牙低功耗技術(shù)是使小型供電設(shè)備通過藍牙無線鏈接及數(shù)據(jù)傳輸，并具備低功耗、低成本、控制范圍廣、使用靈活等特點。其應(yīng)用于HID設(shè)備、智能家電設(shè)備以及醫(yī)療保健設(shè)備等，并在智能手環(huán)手表、可穿戴式脈搏血氧儀、心率帶等可穿戴設(shè)備中為其提供了一個超低功耗的無線傳輸方案。

2.3.2ZigBee低速短距離通信

ZigBee是一種自組織低速短距離無線通信技術(shù)，由多個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成，且可進行相互通信，所以ZigBee不僅可以通過所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，還可以接收到其他數(shù)傳模塊中的資料，大大提高了數(shù)據(jù)容量和傳輸效率。

2.3.3無線射頻識別

無線射頻識別(RFID)通信技術(shù)的原理是通過監(jiān)測無線電信號對目標進行識別與數(shù)據(jù)讀取。RFID具有小型多樣化、可重復(fù)利用率較強、容量大、效率高等特點，可滿足可穿戴設(shè)備重復(fù)利用率的問題，因此，RFID技術(shù)將在可穿戴設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

2.3.4近場私密通信

近距離無線通信技術(shù)(NFC)可實現(xiàn)與設(shè)備之間自動而迅速、輕松而私密的通信，目前其主要應(yīng)用于刷卡支付、門禁、帶有個性化信息的NFC標簽等，其特有的私密通訊方式正是可穿戴設(shè)備所需要的，因此，NFC技術(shù)與可穿戴技術(shù)相結(jié)合，提高健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性及私密性。

2.4 信息反饋技術(shù)

信息反饋技術(shù)作為可穿戴設(shè)備與人體之間的通訊工具對監(jiān)測狀態(tài)起到及時的預(yù)防與治療的作用，其主要包括預(yù)警和報警裝置、LED、手機APP實時在線裝置、短信求助裝置、yeelink平臺實時監(jiān)測等，可以及時的將監(jiān)測結(jié)果反饋給用戶。目前應(yīng)用較為廣泛的則是與手機APP結(jié)合的實時在線反饋技術(shù)，但在老年人或病人等方面應(yīng)用還存在缺陷。

3 可穿戴技術(shù)面臨的問題

綜上所述，當前可穿戴技術(shù)面臨的問題主要有4點：1)目前市場上可穿戴設(shè)備種類繁多，但其監(jiān)測性能、產(chǎn)品形態(tài)大同小異，許多研究成果都僅限于實驗研究，而并未實際應(yīng)用；2)大多數(shù)用于健康監(jiān)測的可穿戴設(shè)備還局限在服裝配飾中，對于老人、兒童、孕婦以及病人等群體在諸多情況下并不適合佩戴配飾，且配飾作為硬件物體在一定程度上都會對人體產(chǎn)生不舒適感，降低了監(jiān)測的準確性；3)可穿戴設(shè)備多數(shù)需依附于智能手機等設(shè)備，給部分老年、兒童等的使用增加負擔，增加電磁輻射總量；4)人們對于可穿戴設(shè)備的需求度及接受度還有待提高，大部分消費者對可穿戴設(shè)備還存有疑慮。

4 結(jié)束語

目前可穿戴技術(shù)的發(fā)展方向主要包括研究與實際相結(jié)合，設(shè)計更具特色的可穿戴監(jiān)測設(shè)備；將服裝作為監(jiān)測的平臺，設(shè)計開發(fā)柔性且滿足監(jiān)測對象舒適性需求的產(chǎn)品；從監(jiān)測對象角度需增強加大可穿戴技術(shù)的功能性傳播，加大設(shè)備的使用率以及效果反饋，從而改變消費者傳統(tǒng)的思想觀念；從監(jiān)測設(shè)備角度應(yīng)在其電源管理與附屬電子產(chǎn)品的使用各方面進行改進，以低功耗、便捷實用性為原則對用戶進行個性化設(shè)計；最后應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸及信息反饋中加強信息的保密性，給用戶提供一個更加健康、安全的監(jiān)測環(huán)境。