可穿戴及便攜式設備在健康醫(yī)療領域的應用分析

壽文卉，王 義，王 博，周賢波，許利群

（中國移動研究院 北京100032）

1 引言

隨著傳感器、芯片、通信、移動互聯網等技術的日益成熟，國民健康意識的不斷增強和對健康服務需求的顯著提升，可穿戴及便攜式設備（以下簡稱“可穿戴設備”）在健康醫(yī)療領域表現出強大的應用潛力。在傳統(tǒng)的醫(yī)療照護服務模式中，往往以醫(yī)院為中心，聚焦診療環(huán)節(jié)，依賴于大型的、固定的專業(yè)檢測設備，實現患者醫(yī)療數據的院內收集，為臨床診斷治療提供決策支持。近年來，在現代通信和信息技術的驅動下，傳統(tǒng)醫(yī)療照護服務模式得以改革，逐漸實現從以醫(yī)院為中心向以患者為中心的轉變。在關注診療的同時，也關注院前的健康促進、慢性病管理和院后的恢復及康復監(jiān)護，通過將院內醫(yī)療服務資源有效投射至院外，使患者能夠隨時、隨地得到個性化服務[1,2]。在這一新型服務模式中，可穿戴設備發(fā)揮了重要的端口作用，其連續(xù)數據采集能力以及使用方便、易于攜帶的特點，使隨時隨地的健康醫(yī)療服務成為了可能，突破了時間和空間的限制，并帶來了成本的大幅下降。研究顯示，對于有潛在高血壓風險的糖尿病患者，通過使用可穿戴設備進行慢性病管理，可將年均醫(yī)療開銷從13 700美元降至235～1 525美元[3]。另一方面，可穿戴設備還能夠激發(fā)醫(yī)療服務創(chuàng)新，提供與主流臨床流程相結合的全新解決方案。由此可見，健康醫(yī)療可穿戴設備擁有極大的應用潛力和市場空間。根據市場研究公司Berg Insight的調研報告[4]，截至2013年年底，全球有300萬患者使用聯網的居家醫(yī)療設備獲得遠程監(jiān)護服務；ABIResearch[5]預測，到2020年，全球健康醫(yī)療可穿戴設備的出貨量將達1億臺，發(fā)展前景可觀。

本文聚焦健康醫(yī)療可穿戴設備，簡要介紹了健康醫(yī)療可穿戴設備的不同形態(tài)，并從采集模式、采集數據類型、功用形式等3個角度對其進行分類。討論可穿戴設備應用于健康醫(yī)療服務提供的3個典型案例，分析說明設備在端到端系統(tǒng)和服務中的端口作用以及支撐設備的智能分析算法及應用服務的重要價值。從技術、服務、政策和付費等角度，探討健康醫(yī)療可穿戴設備可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

2 健康醫(yī)療可穿戴設備概覽及分類

隨著近兩年健康醫(yī)療可穿戴設備市場的興起，各路設備制造商蜂擁而入。據統(tǒng)計[6]，國內103家企業(yè)研發(fā)了多達148款健康醫(yī)療可穿戴設備。這些可穿戴設備通過集成各種不同的傳感器（如MEMS、光學、生物電、壓力、溫濕度傳感器等）、處理器芯片和通信模塊（如有線通信、蜂窩無線通信、短距離無線通信等），實現人體數據的采集、分析處理和傳輸，從而滿足健康醫(yī)療等相關需求。

可穿戴設備形態(tài)各異，功用豐富，其采集的目標數據不同，因此佩戴方式及出現在人體的部位也不相同，圖1所示為一些典型的佩戴位置和設備形態(tài)，包括隱形眼鏡[7]、頭帶[8]、項鏈[9]、馬甲[10]、衣服[11]、腰帶[12]、手環(huán)/手表[13,14]、腳環(huán)[15]以及其他便攜式的生理生化指標采集設備[16～18]（采集位置可在手指、額頭、口腔等處）。在上述設備形態(tài)中，以佩戴在手腕處的手環(huán)/手表最為常見[19]，大多數手環(huán)/手表主要聚焦健康數據采集，如運動、睡眠、心率和周圍環(huán)境參數（如紫外線指數）[20]等，也有少數手環(huán)/手表通過技術攻關，實現了基于光學傳感器的血壓水平和血液成分的連續(xù)監(jiān)測[21]。

接下來從采集模式、采集數據類型、功用形式等3個角度對健康醫(yī)療可穿戴設備進行分類。

（1）采集模式

可穿戴設備的數據采集模式可分為不間斷采集、定時采集和需要時采集，這取決于具體的應用場景和用戶需求，見表1。

（2）采集數據類型

可穿戴設備采集的數據類型包括生理參數、生化數據、影像數據、綜合數據等，見表2。

（3）功用形式

可穿戴設備按照其功用形式，可分為監(jiān)測、篩查、診斷、干預、治療等，見表3。

3 基于可穿戴設備的健康醫(yī)療應用和服務提供典型案例

可穿戴設備種類繁多，形態(tài)各異，功能豐富，可實現多模態(tài)健康醫(yī)療數據的采集、處理和傳輸。除了將可穿戴設備作為數據感知端口外，如果在此基礎上加以數據處理和智能分析算法的支撐，并進一步形成真正意義上有效的健康醫(yī)療應用和服務，指導生活方式的改善和生活質量的提高，則能更好地激勵可穿戴設備用戶的持續(xù)參與，為其提供更多價值。目前，基于可穿戴設備的健康醫(yī)療應用和服務提供已經貫穿于患者臨床照護路徑的全方位：在健康促進環(huán)節(jié)，通過對用戶日常的運動、睡眠、飲食和營養(yǎng)攝入行為的持續(xù)跟蹤，進一步提供信息反饋和行為激勵，促進健康生活方式的養(yǎng)成；在慢性病管理環(huán)節(jié)，通過對血壓和血糖等體征參數的定時監(jiān)測，提供關于體征變化趨勢的洞察見解，實現有效的患者自我管理和家人及護理團隊管理；在診斷治療環(huán)節(jié)，醫(yī)療級可穿戴設備及時采集生理、生化指標和影像數據，并分享至專業(yè)人員進行遠程診斷；在院外康復環(huán)節(jié)，通過可穿戴設備將出院/術后患者的關鍵指標實時反饋給醫(yī)院的醫(yī)護人員，實現院內醫(yī)療服務向院外的拓展延伸。

以下將列舉3個典型案例，具體說明如何基于可穿戴設備實現健康醫(yī)療應用和服務提供。

表1 健康醫(yī)療可穿戴設備的采集模式分類

表2 健康醫(yī)療可穿戴設備的采集數據類型分類

表3 健康醫(yī)療可穿戴設備的功用形式分類

3.1 睡眠障礙檢測及質量評估

近年來，睡眠障礙逐漸成為困擾中國人的問題之一。中國醫(yī)師協會《2015年中國睡眠指數報告》[26]顯示，31.2%的中國人存在嚴重睡眠問題。中國潛在的呼吸暫停綜合征患者約5 000萬人，呼吸暫停綜合征可能導致高血壓、冠心病、中風和猝死等問題，嚴重威脅人們的健康。目前，睡眠障礙篩查和檢測主要在醫(yī)院睡眠監(jiān)護室進行，然而該解決方案存在費用高、周期長、舒適性差、無法代表真正睡眠環(huán)境等問題。因此，人們對于居家睡眠監(jiān)護的需求非常強烈。

針對睡眠障礙患者篩查和遠程居家監(jiān)護需求，研發(fā)了端到端的睡眠健康遠程監(jiān)護系統(tǒng)（包括智能節(jié)點、智能手機APP和移動健康創(chuàng)新平臺（CM-mHiP））及相應的各種智能處理和分析算法，讓用戶可以在舒適的家庭環(huán)境中享受睡眠障礙檢測及質量評估等全方位服務，如圖2所示。

①用戶佩戴智能節(jié)點采集睡眠期間的心電、體溫、加速度數據，并通過低功耗藍牙或者USB將數據傳輸至智能手機。

②智能手機麥克風采集用戶睡眠期間的鼾聲及環(huán)境音，通過特定的智能分析算法，在手機上實現鼾聲及環(huán)境音的識別以及呼吸暫停事件的檢測判斷，分析結果和來自智能節(jié)點的心電、溫度、加速度數據一同被上傳到移動健康創(chuàng)新平臺。

③移動健康創(chuàng)新平臺的智能分析算法可基于智能節(jié)點采集的數據，實現睡眠姿態(tài)判定（俯臥、側臥、平躺）、睡眠結構分析（深睡、淺睡、夜醒）和睡眠質量評估。

④睡眠中心的專業(yè)醫(yī)生對智能算法的分析結果加以確認，并給出專業(yè)的睡眠指導建議，最終反饋給用戶，形成閉環(huán)服務。

在本案例中，以智能節(jié)點和智能手機采集的心電、溫度、加速度和聲音數據為基礎，通過智能算法的處理分析和專業(yè)醫(yī)生的支持，為用戶提供可理解的呼吸暫停檢測及睡眠質量評估結果和可執(zhí)行的行動指南，形成線上、線下相結合的閉環(huán)服務，最終指導其提高睡眠質量，擺脫睡眠障礙。

3.2 心律不齊篩查及嚴重程度評估

國家心血管疾病中心[27]統(tǒng)計顯示，我國心血管病患者人數高達2.9億，平均每5個成年人就有1人患有心血管病，平均每5例死亡就有2例死于心血管病，死亡率居各種疾病之首。面對如此嚴峻的形式，如何有效預防心血管病、降低心血管病的危害已經成為社會各界關注的重點。事實上，心律失常是心臟功能發(fā)生異常的早期癥狀，如果能夠及時檢測心律失常，就可以及早發(fā)現、預防和治療心臟疾病。隨著可穿戴設備和移動互聯網技術的發(fā)展，針對移動和家庭場景的遠程心臟監(jiān)護和心律失常篩查成為有效預防心血管病的手段。

基于以上背景，研發(fā)了端到端的遠程心臟監(jiān)護系統(tǒng)（包括智能心電節(jié)點、智能手機APP和移動健康創(chuàng)新平臺），可為用戶提供集心電采集、信號質量分析、心律失常篩查及嚴重程度評估于一體的遠程心臟監(jiān)護服務，如圖3所示。

①用戶佩戴智能心電節(jié)點采集心電數據（單導聯或者三導聯），并通過低功耗藍牙將數據實時傳輸至智能手機。

②智能手機的信號質量檢測算法對心電數據進行分析，用戶根據信號質量分析結果調整佩戴位置，當心電數據信號質量合格后，智能手機將保存一段時間（如30 s）的心電數據，并通過智能算法分析，實現心律失常檢測（如心動過緩/過速、早搏、房顫等）和嚴重程度評估（無礙、中度、嚴重）。

③原始心電數據和算法分析結果通過移動健康創(chuàng)新平臺共享至專業(yè)服務中心的醫(yī)生，一旦情況異常，醫(yī)生將及時通知用戶去醫(yī)院做進一步檢查，從而實現疾病的早發(fā)現、早治療。

在本案例中，通過將智能心電節(jié)點、智能分析算法和專業(yè)醫(yī)療資源相結合，為亞健康人群、心腦血管患者和出院患者提供心血管病預防篩查及遠程監(jiān)護服務。一方面，減少了患者做檢查的金錢和時間成本，使得患者足不出戶就可以完成檢查；另一方面，減少了心臟科醫(yī)生的重復勞動，通過智能算法分析輔助人工檢查，過濾心臟正常的情況，將醫(yī)生的精力放在少數需要重點關注的心臟異常情況上。

3.3 異常計步檢測及運動行為分析

針對計步器/運動手環(huán)等運動監(jiān)測類可穿戴設備，在實現步數、距離、卡路里消耗等運動數據量化的基礎上，通過智能算法對用戶運動行為進行深入分析，提出個性化的運動指導建議，從而改善用戶的行為方式和身體健康狀況，這是其獲得用戶持續(xù)青睞的關鍵。另外，競賽性質健步走比賽的廣泛組織，也對運動類可穿戴設備的防作弊機制和計步精準性提出了更高的要求。

基于以上兩方面的需求，研發(fā)了端到端的智能運動監(jiān)測系統(tǒng)（包括計步器、智能手機APP和移動健康創(chuàng)新平臺）及相應的各種智能處理和分析算法，實現防作弊的精準計步和全面的用戶行為分析與指導，如圖4所示。

①計步器采集用戶的加速度數據，并通過嵌入式智能算法，實現異常計步（即非步行產生的錯誤計步，如手搖、手繞、抖腿、單擺等）檢測，生成去除異常計步的精準運動步數。同時，計步器智能算法以加速度數據為基礎，對活動頻率進行統(tǒng)計，動頻統(tǒng)計結果和精準的運動步數將通過內置SIM卡上傳至移動健康創(chuàng)新平臺。

②移動健康創(chuàng)新平臺的行為分析算法基于動頻統(tǒng)計結果，識別用戶的運動行為類型，包括靜止、乘車、零散活動、步行、鍛煉、跑步等，并進一步生成運動指導建議。

③精準的運動步數、行為分析結果和運動指導建議最終被推送至用戶的智能手機，幫助用戶養(yǎng)成健康的生活習慣，改善身體健康狀況。

4 可穿戴設備推動移動醫(yī)療應用可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

以上對可穿戴設備在健康醫(yī)療領域的應用現狀進行了全面概覽和深入剖析。下面，將從技術、服務、政策和付費等角度，探討可穿戴設備在推動移動醫(yī)療應用可持續(xù)發(fā)展方面所面臨的挑戰(zhàn)。

4.1 技術角度

從技術角度，健康醫(yī)療可穿戴設備主要面臨以下3個方面的問題和挑戰(zhàn)。

（1）小型化、低功耗、精準化

目前，電池微型化與高容量技術仍有所欠缺，智能操作系統(tǒng)及其應用耗電量大，硬件與軟件的協調工作功耗仍存在改進空間。隨著納米材料、SoC和ASIC技術的發(fā)展，集成多傳感器的SoC芯片、大容量小體積的薄膜微電池、Power Gating超低功耗技術，都將讓可穿戴設備在功耗和體積上取得進一步突破。在數據精準化方面，可穿戴設備采集數據的準確性尚未取得專業(yè)醫(yī)療人員的認可，隨著傳感器技術準確度的提高以及傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)的逐步開放，未來越來越多的可穿戴設備的數據將在臨床中使用，連續(xù)采集的體征數據將會具有一定的診斷價值。

（2）數據傳輸協議標準化

可穿戴設備作為移動互聯網新的端口接入形式，在與其他智能設備交互數據時，涉及數據傳輸協議的標準化問題。只有兼容統(tǒng)一的數據傳輸協議（如IEEE 11073-104XX設備規(guī)范、Bluetooth Health Device Profile等）實現更廣范圍的互聯互通，方能推動生態(tài)環(huán)境的良好構建和可穿戴設備的持續(xù)發(fā)展。

（3）外觀設計、材料工藝增強

可穿戴設備的外觀設計和材料工藝將直接影響設備品質和用戶選擇。未來可穿戴設備將與人體更好地融合，通過貼片、紡織材料、可消化/服用等多種形態(tài)，提供無感知化的用戶體驗。

4.2 服務角度

可穿戴設備作為數據采集和感知的端口，只有進一步提供臨床有效的健康醫(yī)療應用和服務，才能為用戶創(chuàng)造更大的價值，從而獲得可持續(xù)發(fā)展和廣泛采納。可穿戴設備廠商應與應用開發(fā)商、服務提供商深度合作，著力打造殺手級、醫(yī)療級應用服務，通過多源數據融合和智能算法分析，結合用戶實際需求和臨床醫(yī)療經驗，為其提供可執(zhí)行的反饋，激勵用戶持續(xù)互動。

4.3 政策和付費角度

可穿戴設備一旦應用于臨床醫(yī)療領域，需要通過CFDA等監(jiān)管機構的認證，獲得臨床認可。此外，設備制造商還應與保險公司等付費方共同研發(fā)解決方案，通過改善醫(yī)療照護流程，降低醫(yī)療成本。可穿戴設備未來將不再僅是消費品，而是獲得CFDA批準，進入醫(yī)生處方且能被醫(yī)保或商業(yè)保險公司報銷的醫(yī)療設備。

總體來看，可穿戴設備應用于健康醫(yī)療領域，使醫(yī)療照護空間得到了拓展，不再受時間和空間的限制，而設備對個人數據的采集也為醫(yī)護服務的個性化和精準化提供了可能。與此同時，可穿戴設備必須服務于主流臨床流程。僅提供單純的數據采集功能很難激勵用戶的持續(xù)參與，只有服務于主流臨床流程，使之成為能有效提供健康醫(yī)療服務的一個有機組成部分，通過智能算法的處理分析或者由專業(yè)醫(yī)療人員進一步提供有益見解，向用戶反饋有臨床意義的信息和可執(zhí)行的行動指南，幫助用戶改善健康，才是可穿戴設備及移動醫(yī)療應用獲得可持續(xù)發(fā)展和廣泛采納的關鍵。

5 結束語

本文首先介紹了健康醫(yī)療可穿戴設備概覽，并從采集模式、采集數據類型、功用形式等角度對設備進行分類。之后，從貫穿患者臨床照護路徑的應用和服務提供角度，討論睡眠障礙檢測及質量評估、心律不齊篩查及嚴重程度評估和異常計步檢測及運動行為分析等3個典型案例，剖析可穿戴設備在端到端系統(tǒng)中的端口作用以及支撐設備的智能分析算法及應用服務的重要價值。最后，從技術、服務、政策和付費角度，對可穿戴設備推動移動醫(yī)療應用可持續(xù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)加以探討。

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