生理監(jiān)測智能穿戴裝置的應(yīng)用研究

王 娟

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活方式的變化，居民不健康生活方式日益突出，易導(dǎo)致心血管疾病的各種危險(xiǎn)因素對居民健康的影響更加顯著，患有心血管疾病的人數(shù)仍在增加。目前，心血管疾病是城鄉(xiāng)居民死亡的主要原因[1]。截至2020年，我國60歲及以上老年人總數(shù)達(dá)2.55億人，占我國總?cè)丝跀?shù)量的17.8%。隨著工作崗位競爭的加劇、人們的快節(jié)奏生活，使得年輕一輩的學(xué)習(xí)壓力、思想壓力、工作壓力也隨之越來越大，年輕人群中呈現(xiàn)出一片亞健康狀態(tài)，但是許多年輕患者對自身的亞健康狀態(tài)沒有足夠重視甚至是忽視。

有部分群體購買一些生理監(jiān)測的可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品，這類產(chǎn)品能實(shí)時(shí)記錄生理數(shù)據(jù)、及時(shí)監(jiān)測自身的身體狀況，生理監(jiān)測智能穿戴裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1 生理監(jiān)測智能穿戴裝置的定義

生理監(jiān)測智能穿戴裝置通常由傳感器、信號(hào)采集與處理、數(shù)據(jù)通信等模塊通過一定的工藝技術(shù)將這些模塊集成安裝于便攜式日常可穿戴物件中。它利用貼身穿戴或植入人體的科技產(chǎn)品，使用生物傳感技術(shù)對人體溫度、血壓、腦電圖、心電等生理指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，將采集得到的數(shù)據(jù)通過無線通信傳輸?shù)揭苿?dòng)終端或云端，再通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡分析，最終形成個(gè)體獨(dú)特的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)信息，醫(yī)生可以根據(jù)這些醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)為個(gè)人用戶制訂更準(zhǔn)確的治療方案[2]。

2 生理監(jiān)測智能穿戴裝置的特點(diǎn)

生理監(jiān)測智能穿戴裝置作為一種可供大眾使用的特殊可穿戴設(shè)備，對其提出了四大方面的要求，其中包括可穿戴性、簡單操作性、智能移動(dòng)性、人機(jī)交互性。

（1）可穿戴性。生理監(jiān)測智能穿戴裝置應(yīng)具有較好的舒適性和體積微型化的特點(diǎn)。用戶長時(shí)間“穿戴”，不能引起用戶的強(qiáng)烈不適[3]。

（2）簡單操作性。生理監(jiān)測智能穿戴裝置的操作性能有簡單化、簡潔化的要求，這樣才能被大眾廣泛接受。

（3）智能移動(dòng)性。生理監(jiān)測智能穿戴裝置必須具有可移動(dòng)性、可持續(xù)性、低功耗，長期有效地采集數(shù)據(jù)，并最終傳輸?shù)揭苿?dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)云端。

（4）人機(jī)交互性。生理監(jiān)測智能穿戴裝置不僅可以隨時(shí)監(jiān)測人體的生理數(shù)據(jù)，還可以顯示數(shù)據(jù)，達(dá)到人機(jī)交互的目的[4]。

3 生理監(jiān)測智能穿戴裝置的分類

近年來，微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、芯片制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、新材料研究等技術(shù)得到了迅速發(fā)展，帶動(dòng)了可穿戴技術(shù)的飛速發(fā)展，在市場上出現(xiàn)了很多醫(yī)療、健身等領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品。

穿戴式生理信號(hào)監(jiān)測一般分為運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測與疾病監(jiān)測兩大類。運(yùn)動(dòng)健康類產(chǎn)品，顧名思義就是測量人的運(yùn)動(dòng)狀況，通常表現(xiàn)為手環(huán)、手表等形式，用戶通過佩戴產(chǎn)品可監(jiān)測心率、睡眠質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)量等。疾病監(jiān)測產(chǎn)品主要對患者生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，尤其是慢性病患者，以便提供更加及時(shí)、有效的治療。目前部分穿戴產(chǎn)品除了可以監(jiān)測心電圖、腦電圖、血壓等生理信號(hào)外，還具有跌倒報(bào)警、久坐提醒等附加功能[5]。

因此，生理監(jiān)測智能穿戴裝置可以引導(dǎo)人們更健康地生活，能幫助人們提高生活質(zhì)量，提前監(jiān)測甚至預(yù)測疾病的發(fā)生，不但可以緩解醫(yī)院醫(yī)療資源短缺的問題，同時(shí)也緩解了人們“看病難”等問題。

4 關(guān)鍵技術(shù)

生理監(jiān)測智能穿戴裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要集中在：可穿戴裝置的舒適性與便攜性，減少了對用戶日常生活的干擾，可以對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行自然監(jiān)測；生理信號(hào)采集系統(tǒng)必須具有微型化、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)包括穿戴裝置的制作材料、傳感技術(shù)、低功率損耗、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)、信息處理與融合技術(shù)、數(shù)據(jù)通信和軟件應(yīng)用等[6]。

4.1 低功耗

低功耗是智能穿戴裝置內(nèi)部傳感器部件的核心要求。裝置的能量消耗主要發(fā)生在傳感器、數(shù)據(jù)分析以及無線通信三方面，其中最大的系統(tǒng)能耗為無線通信。在連續(xù)采集用戶生理信號(hào)的過程中，無線通信傳輸?shù)男盘?hào)能量能占到節(jié)點(diǎn)總能量的65%。因此，采取降低無線通信的能量消耗的方法，就可以大大地提高節(jié)點(diǎn)的能量效率。

4.2 傳感技術(shù)

用戶的生理信號(hào)通常由電極或傳感器采集，傳感器將被測信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他類型的信號(hào)。根據(jù)被測信號(hào)的類型，智能穿戴裝置中的傳感器通常為連續(xù)時(shí)變生理信號(hào)傳感器、離散生理信號(hào)傳感器兩種。連續(xù)時(shí)變生理信號(hào)傳感器，需要連續(xù)不斷地傳輸大量的數(shù)據(jù)，如人體脈搏、心電圖等；而離散生理信號(hào)傳感器，一般傳輸?shù)氖茄恰⒀獕?、血氧等?shù)據(jù)。生理監(jiān)測裝置內(nèi)部的傳感器不僅要考慮其尺寸、重量，還要考慮其數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

4.3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)是指通過傳感器等智能部件去獲取外界相關(guān)各類信息，對獲取到的各種信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)并呈現(xiàn)給用戶的方法。比如，可以通過測量用戶的心跳、脈搏等生理數(shù)據(jù)，然后以心電圖的形式顯示出來。

4.4 信號(hào)處理和信息融合技術(shù)

對信號(hào)進(jìn)行有效處理是智能穿戴裝置中非常重要的一環(huán)。信號(hào)處理和信息融合是信息提取的關(guān)鍵技術(shù)。常用的方法主要通過信號(hào)預(yù)處理、特征提取還有模式分類這幾個(gè)步驟來完成。首先采用信號(hào)預(yù)處理增強(qiáng)有用信號(hào)，其次利用特征提取將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有不同特性的可區(qū)分的特征向量，再次利用模式分類對經(jīng)過特征提取后的特征向量進(jìn)行更高層次的信息抽象，這個(gè)步驟一般通過建立分類模型，實(shí)現(xiàn)特征向量到類型的映射或回歸，以此達(dá)到信息處理與融合的目的。

4.5 數(shù)據(jù)通信和軟件融合

為了實(shí)現(xiàn)用戶生理監(jiān)測信號(hào)的醫(yī)療處理，除了采集處理、處理數(shù)據(jù)之外，還需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇㈡溄拥尼t(yī)療中心等節(jié)點(diǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，生理監(jiān)測智能穿戴裝置利用網(wǎng)絡(luò)就可以足不出戶地遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，而醫(yī)生或用戶家屬可隨時(shí)監(jiān)控用戶的實(shí)時(shí)個(gè)人生理數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)異常時(shí)，能進(jìn)行及時(shí)有效的處理。

5 存在的問題

目前，生理監(jiān)測智能穿戴裝置是醫(yī)療健康產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)研究的一大熱門，但其在相關(guān)的準(zhǔn)確性、安全隱私、行業(yè)監(jiān)管、功能等方面仍有一些不足[7]。

5.1 準(zhǔn)確性度不高

目前由于穿戴式設(shè)備的小型化和方便攜帶的特性，傳感器的選擇范圍就受到限制，測量到的信號(hào)通常準(zhǔn)確度不高，因此生理監(jiān)測穿戴裝置仍不能替代醫(yī)用級(jí)的醫(yī)療設(shè)備。怎樣提高生理信號(hào)測量精度方法是目前可穿戴裝置面臨的困境。

5.2 隱私泄露

自可穿戴醫(yī)療裝置面世以來，數(shù)據(jù)隱秘性和安全性等問題一直都是專家們關(guān)注的要點(diǎn)。智能穿戴裝置大多利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，信息傳輸?shù)陌踩员容^低、信息處理形式不統(tǒng)一、多樣化、相互操作性難度較大等各種問題。這使得可穿戴裝置的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備相比，更容易被竊取，并應(yīng)用于一些非法的交易中。

5.3 行業(yè)監(jiān)管不力

目前，醫(yī)療類產(chǎn)品琳瑯滿目，可穿戴醫(yī)療裝置的使用群體并沒有普及，國內(nèi)可穿戴醫(yī)療市場秩序稍顯混亂，市場對這類產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，難以對其進(jìn)行有利的監(jiān)管，最終致使市場上的可穿戴醫(yī)療裝置質(zhì)量參差不齊，存在以次充好的現(xiàn)象。目前，絕大多數(shù)智能穿戴醫(yī)療裝置沒有獲得醫(yī)療器械許可證，沒有標(biāo)準(zhǔn)去比對、校正其采集的數(shù)據(jù)，也就無法定義這些數(shù)據(jù)是否真的具有醫(yī)療價(jià)值，最終也就無法對臨床診斷提供幫助[8]。

5.4 產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重

目前國內(nèi)外學(xué)者針對生理監(jiān)測智能穿戴裝置的研究重點(diǎn)主要集中在人體心電、脈搏、血壓、運(yùn)動(dòng)等方面，缺少對人體其他生理參數(shù)的研究，導(dǎo)致研究成果和市場上的產(chǎn)品同質(zhì)化比較嚴(yán)重、技術(shù)方面突破性低。此外，市面上的大多生理監(jiān)測穿戴醫(yī)療裝置只是簡單對生理信號(hào)進(jìn)行處理與分析，難以挖掘出更多有用的醫(yī)療信息。

6 結(jié)語

中國作為世界人口大國，人口占世界總數(shù)的20%，但國內(nèi)的醫(yī)療衛(wèi)生資源僅僅只占了世界2%，醫(yī)療資源分布的不均衡性以及城鄉(xiāng)醫(yī)療服務(wù)水平存在懸殊較大等問題都促使醫(yī)療機(jī)構(gòu)向信息化以及智能化的方向發(fā)展。

生理監(jiān)測智能穿戴裝置的宗旨就是計(jì)劃開發(fā)符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的、全新的、智能型的醫(yī)療保健方式，用戶可以隨時(shí)監(jiān)測個(gè)人生理參數(shù)，這樣可以彌補(bǔ)我國老齡化、醫(yī)療資源分布不均的現(xiàn)狀[9]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，能源的開拓發(fā)展，相信生理監(jiān)測智能穿戴裝置在技術(shù)層面上會(huì)突破瓶頸，成為改寫人類醫(yī)療與保健方式的新技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為廣大的消費(fèi)大眾廣泛接受，從而為我國的智慧醫(yī)療建設(shè)添磚加瓦[10]。