可穿戴智能系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)中的現(xiàn)狀及未來挑戰(zhàn)

胡蘭 鄭寬 劉亞俠

摘 要：在健康監(jiān)測(cè)智能穿戴系統(tǒng)（SWS）的研究和開發(fā)方面，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都做出了廣泛的努力，SWS的持續(xù)發(fā)展受到了醫(yī)療成本飆升的影響，通過微納米技術(shù)、傳感器微型化和智能織物技術(shù)的支持，以及對(duì)患者健康狀況的持續(xù)監(jiān)控，SWS的持續(xù)發(fā)展將逐步改變醫(yī)療領(lǐng)域的格局，這些系統(tǒng)由各種組件和設(shè)備組成，從傳感器和執(zhí)行器到多媒體設(shè)備，既支持復(fù)雜的醫(yī)療應(yīng)用程序，又支持低成本的可穿戴、非侵入性替代方案，可在室內(nèi)和室外連續(xù)24小時(shí)監(jiān)控健康、活動(dòng)、移動(dòng)和精神狀況。對(duì)可穿戴設(shè)備現(xiàn)狀的研究，為醫(yī)學(xué)研究人員提供了參考，為未來的相關(guān)研究提供了展望。

關(guān)鍵詞：智能;可穿戴系統(tǒng);醫(yī)學(xué)

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）20-0233-02

0 引言

學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)智能可穿戴系統(tǒng)的研究和開發(fā)力度不斷加大，可穿戴智能系統(tǒng)是新型的紡織材料與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可根據(jù)設(shè)計(jì)的意圖實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能，例如傳送信息、自動(dòng)變色、自動(dòng)調(diào)溫等。智能系統(tǒng)最早應(yīng)用在軍事、航空、消防、潛水等特殊領(lǐng)域，但隨著智能化的發(fā)展以及社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，嗅覺靈敏的商家們開始轉(zhuǎn)向可穿戴智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)方面，美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，設(shè)計(jì)應(yīng)用的領(lǐng)域也非常廣泛[1]。世界人口正在老齡化，老年人由于與年齡有關(guān)的疾病導(dǎo)致的殘疾程度更高，需要更多的護(hù)理和幫助，更有可能被送入醫(yī)院或養(yǎng)老院。長期入住養(yǎng)老院是一種昂貴的養(yǎng)老方式，大多數(shù)老年人更愿意呆在自己的家中。醫(yī)生可以根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)患者進(jìn)行管理，一種日益需要的可穿戴系統(tǒng)是一種智能醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備，能夠?yàn)獒t(yī)護(hù)人員、患者、運(yùn)動(dòng)員和健康受試者提供實(shí)時(shí)處理和反饋。受試者可以在日常生活中佩戴該設(shè)備，而醫(yī)療專業(yè)人員則可以在患者去醫(yī)院途中或去找醫(yī)生辦公室更長的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控。然而，要全面實(shí)現(xiàn)智能可穿戴系統(tǒng)的使用還必須克服一些障礙，包括高成本、尺寸、重量、能耗、傳感器的實(shí)現(xiàn)和連接、隱私、自由、可靠性、安全性和服務(wù)等一系列問題[2，3]。

1 可穿戴系統(tǒng)的當(dāng)前特點(diǎn)

可穿戴系統(tǒng)包括各種類型的微型可穿戴、可植入體內(nèi)傳感器。這些生物傳感器可以測(cè)量身體和皮膚的溫度、心率、心電圖、腦電圖、肌電圖等生理參數(shù)，智能設(shè)備可以提供實(shí)時(shí)處理。通過無線身體通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)使醫(yī)療保健提供者能夠?qū)颊哌M(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，醫(yī)療保健系統(tǒng)就可以發(fā)出警報(bào)，例如：當(dāng)一個(gè)獨(dú)居的人中風(fēng)時(shí)，中風(fēng)一發(fā)作就可以派救護(hù)車。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)老年人、殘疾人、慢性病患者以及有特殊需要的傷者并及時(shí)發(fā)出求救信號(hào)。

2 國內(nèi)外一些智能可穿戴系統(tǒng)

My Heart是在歐盟委員會(huì)研究項(xiàng)目框架內(nèi)開發(fā)的個(gè)人健康智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在發(fā)現(xiàn)早期房顫，使預(yù)防和藥物治療成為可能。傳感模塊可以集成到衣服中，也可以簡(jiǎn)單地嵌入到衣服里。其基本材料是使用像普通紗線一樣編織的微小導(dǎo)電導(dǎo)線，這增加了可穿戴系統(tǒng)的舒適性。整個(gè)系統(tǒng)傳感器不需要無線模塊，系統(tǒng)依靠集中的可穿戴電源，一個(gè)主設(shè)備控制著服裝上的總線，負(fù)責(zé)所有可穿戴部件的同步和供電，柔性智能紡織品與其基礎(chǔ)纖維科學(xué)可被界定為可穿戴技術(shù)的未來發(fā)展閃光點(diǎn)[4]，相關(guān)的軟件也已經(jīng)被開發(fā)出來，活動(dòng)分為休息、躺下、行走、跑步和上下樓梯等，并且具有很高的準(zhǔn)確性?！拔业男呐K”項(xiàng)目也開發(fā)出了“心臟帶”，可以穿在胸前，也可以系在標(biāo)準(zhǔn)胸罩或標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣的腰帶上。

意大利米蘭也開發(fā)了一項(xiàng)神奇的項(xiàng)目，一款可清洗的感應(yīng)背心，內(nèi)置全編織的紡織傳感器，用于監(jiān)測(cè)心電圖和呼吸速率，該系統(tǒng)可以為家中的老年人或心臟病患者進(jìn)行日常生活HM的皮膚溫度測(cè)量，該系統(tǒng)還能夠識(shí)別房顫發(fā)作和房室異位搏動(dòng)等[5]。

澳大利亞悉尼的新南威爾士大學(xué)開發(fā)了一個(gè)基于MicaZ mote的平臺(tái)，本項(xiàng)目研究了在連續(xù)HM中使用動(dòng)態(tài)無線電發(fā)射功率控制來延長穿戴式傳感器設(shè)備壽命的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。弩科技公司的MicaZ motes已經(jīng)用綁在病人胸部的裝置進(jìn)行了測(cè)試，模擬心跳和心電圖的監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)展示了自適應(yīng)無線電發(fā)射功率控制作為一種節(jié)能手段以及在醫(yī)療用可穿戴傳感器設(shè)備中的潛在優(yōu)勢(shì)和局限性[6]，如圖1所示。

術(shù)后恢復(fù)的患者由于術(shù)后疼痛并導(dǎo)致活動(dòng)能力下降，同時(shí)有發(fā)生并發(fā)癥的危險(xiǎn)，對(duì)這些患者的持續(xù)監(jiān)控鼓勵(lì)了學(xué)術(shù)界對(duì)無線醫(yī)療監(jiān)控解決方案的研究，從而實(shí)現(xiàn)無線醫(yī)院的愿景。病人站由一個(gè)塵粒裝置組成，它從記錄生命體征（如心電圖、呼吸和活動(dòng)水平）的傳感器接收數(shù)據(jù)，接收到的信號(hào)被發(fā)送到中央服務(wù)器進(jìn)行分析，并為醫(yī)療專業(yè)人員、護(hù)理人員和急診醫(yī)務(wù)人員生成警報(bào)[7]。

九十年代，人口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和嵌入在老年人家中的電子設(shè)備研究老年人的行為和活動(dòng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)是基于一個(gè)家庭環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中傳感器收集關(guān)于人類活動(dòng)的時(shí)空信息。當(dāng)受試者獨(dú)自在家時(shí)，這種監(jiān)督系統(tǒng)就會(huì)起作用，但是當(dāng)公寓或環(huán)境的走廊、客廳中出現(xiàn)多人時(shí)，持續(xù)的數(shù)據(jù)采集就會(huì)被破壞或中斷。在新的項(xiàng)目（Home-care和BeA）中，選擇了可穿戴識(shí)別和定位系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人的24小時(shí)監(jiān)控。慢性精神壓力被認(rèn)為是心血管疾病的危險(xiǎn)因素，因此，它可以被認(rèn)為是決定一個(gè)人的健康和自尊的一個(gè)因素。

3 可穿戴系統(tǒng)的當(dāng)前問題

3.1 有效性

在醫(yī)療問題和治療效果方面，有一些證據(jù)表明使用可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（WHMS）進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)每個(gè)患者的健康狀況進(jìn)行更密切的監(jiān)控，以及對(duì)患者健康惡化的預(yù)警信號(hào)進(jìn)行早期檢測(cè)。研究表明，WHMS廣泛應(yīng)用，不但更好地控制血糖、哮喘和血壓，而且實(shí)現(xiàn)醫(yī)院、社區(qū)、家庭與個(gè)人相結(jié)合的一種有效方式，是緩解人們對(duì)健康監(jiān)測(cè)需求與醫(yī)療資源有限的有效途徑。

3.2 互操作性

可穿戴醫(yī)療設(shè)備，如血壓監(jiān)測(cè)儀、血糖儀、脈搏血氧儀、心電圖監(jiān)測(cè)儀和可植入心血管電子設(shè)備對(duì)醫(yī)療保健是必不可少的。如果臨床軟件應(yīng)用程序能夠無縫地收集醫(yī)療數(shù)據(jù)，人們對(duì)這些設(shè)備的興趣將會(huì)大大增加。一些可穿戴原型已經(jīng)開始使用PHMR標(biāo)準(zhǔn)草案來存儲(chǔ)和傳輸培訓(xùn)數(shù)據(jù)給衛(wèi)生專業(yè)人員，并最大化與他們的信息系統(tǒng)的互操作性[8]。

3.3 醫(yī)療、健康、生活質(zhì)量的好處

智能生物醫(yī)學(xué)服裝的使用可以通過長期趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)疾病的急性期，從而降低心臟病的發(fā)病率，雖然可能無法檢測(cè)到短暫的事件，但可以克服不經(jīng)常的臨床訪問，可以預(yù)測(cè)危險(xiǎn)的未來事件。通過長期趨勢(shì)分析進(jìn)行早期診斷可以降低疾病的潛在嚴(yán)重程度，向衛(wèi)生保健專業(yè)人員發(fā)出警報(bào)，并通過遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程治療減少干預(yù)時(shí)間，老年人不但可以安全地呆在家里而且身體康復(fù)也可以得到保證和支持，醫(yī)療費(fèi)用也比住在醫(yī)院、機(jī)構(gòu)或養(yǎng)老院的費(fèi)用要低。

4 挑戰(zhàn)與未來展望

為了充分認(rèn)識(shí)到智能可穿戴技術(shù)的健康益處，研究人員和供應(yīng)商必須通過研究用戶需求然后開發(fā)一種全面的健康服務(wù)方法，而不是只監(jiān)測(cè)單一疾病的設(shè)備和應(yīng)用程序，與此同時(shí)，研究人員和提供者必須利用各種各樣的資源，從傳統(tǒng)的衛(wèi)生提供者向與用戶密切接觸的商業(yè)提供者提供衛(wèi)生服務(wù)。無線、電話和有線電視供應(yīng)商以及其他通信公司可以提供接入家庭的服務(wù)收費(fèi)（例如：社會(huì)警報(bào)、HM或其他遠(yuǎn)程護(hù)理服務(wù)）。將可穿戴系統(tǒng)和設(shè)備集成到家居舒適和健康的智能家居服務(wù)架構(gòu)中，無疑是保持和促進(jìn)研發(fā)的關(guān)鍵解決方案之一。

5 結(jié)語

隨著新材料的發(fā)展，植入可穿戴設(shè)備來替代有缺陷的器官越來越普遍?？纱┐飨到y(tǒng)的設(shè)備、WSN標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用程序的范圍廣泛且不同，需要大量的研究人員、開發(fā)人員和廣大用戶。由于其跨學(xué)科性質(zhì)，許多與衛(wèi)生保健相關(guān)的應(yīng)用將生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)學(xué)信息學(xué)結(jié)合起來，醫(yī)學(xué)、社會(huì)科學(xué)、心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、倫理學(xué)和法學(xué)等領(lǐng)域的其他知識(shí)必須加以考慮，融入可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)的開發(fā)和研究。未來幾十年最重要的挑戰(zhàn)是智能信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析和解釋、通信標(biāo)準(zhǔn)互操作性、電子元件效率以及能源供應(yīng)發(fā)展等方面。

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