可穿戴設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展

賈震宇，王維，王琛，徐衛(wèi)東

第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院 關(guān)節(jié)骨科，上海 200433

可穿戴設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展

賈震宇，王維，王琛，徐衛(wèi)東

第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院 關(guān)節(jié)骨科，上海 200433

可穿戴設(shè)備是醫(yī)療領(lǐng)域用于實施監(jiān)測患者健康狀況的一項重要措施，在健康監(jiān)護、安全監(jiān)測、家庭康復(fù)、療效評測、疾病早期發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域有著重要的作用。可穿戴設(shè)備由傳感單元、通信單元和處理單元3個單元組成。微電子學(xué)、材料科學(xué)及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得可穿戴設(shè)備得到了廣泛的運用。本文主要從健康監(jiān)護、安全監(jiān)測、家庭康復(fù)、療效評價、疾病早期發(fā)現(xiàn)幾個方面對可穿戴設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)，并提出了其在傳感器敏感性、電池容量、數(shù)據(jù)采集處理效率、數(shù)據(jù)傳輸可信度、兼容性、帶寬等方面存在的問題，對未來的發(fā)展進行了總結(jié)展望。

可穿戴設(shè)備；體域網(wǎng)；無線通訊技術(shù)；傳感器；慢性阻塞性肺疾病

引言

可穿戴設(shè)備能從不同領(lǐng)域改變?nèi)说纳罘绞剑缧l(wèi)生保健、抗震搶險、工業(yè)自動化、旅行休閑等。根據(jù)美國人口咨詢局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，預(yù)計到2030年亞洲65歲以上人口將達到總?cè)丝跀?shù)的12%。針對人口老齡化的問題，如何在減輕醫(yī)療保健負擔(dān)的同時提供優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)，將是我國醫(yī)療機構(gòu)一個重要課題。便攜式移動醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備用于老年人的健康監(jiān)護將是一個重要的發(fā)展方向。

體域網(wǎng)（Body Sensor Network，BSN）通過生命體征監(jiān)測、藥物監(jiān)測、醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸、緊急情況警報等功能，為老年人及慢性病患者及時處理突發(fā)情況，能夠有效降低突發(fā)事件死亡率。例如，對患有認知障礙型疾病（阿爾茲海默癥、帕金森綜合癥等）的患者提供包括生理信號參數(shù)、運動參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等的持續(xù)性監(jiān)測，以確定患者的健康狀態(tài)。目前醫(yī)院常用的監(jiān)測設(shè)備，導(dǎo)線和電纜限制了患者的活動范圍，同時可能會引起患者皮膚刺激，甚至感染。相比較傳統(tǒng)的傳感監(jiān)測設(shè)備，體域網(wǎng)有更大的優(yōu)勢。

1 關(guān)鍵技術(shù)

用于遠程監(jiān)測患者的可穿戴系統(tǒng)包括3個基本單元：① 傳感單元：用于接收生理數(shù)據(jù)和體力活動信號；② 通信單元：將數(shù)據(jù)傳遞至遠方終端的軟件、硬件；③ 處理單元：對收集的原始數(shù)據(jù)進行分析處理。研究人員致力于在上述單元改進技術(shù)，使得生命體征監(jiān)測技術(shù)能夠遠程實時監(jiān)測，不再局限于醫(yī)療機構(gòu)，能是夠運用于社區(qū)、家庭。

傳感單元的微型化以及微電子電路是可穿戴系統(tǒng)重要的技術(shù)條件。傳統(tǒng)的傳感設(shè)備運用硬件儲存收集生理信號和活動信號，不適合應(yīng)用于長期實時監(jiān)測。微電子學(xué)使得研究人員可以設(shè)計出微型電路，可滿足傳感功能、前端放大功能、微控制功能以及數(shù)據(jù)傳輸功能?？焖侔l(fā)展的微機電系統(tǒng)可以將微型的慣性傳感器應(yīng)用于運動及相關(guān)領(lǐng)域的健康監(jiān)測系統(tǒng)中。例如，一項研究用一款全新概念鼠標(biāo)AirMouse作為活動檢測器（內(nèi)置微機電系統(tǒng)的角速度傳感器），以激勵并監(jiān)測智力低下的肥胖兒童進行步行鍛煉[1]。同時，材料科學(xué)的進步使得電子織物可以應(yīng)用于可穿戴傳感系統(tǒng)，電子織物可將傳統(tǒng)衣物和傳感設(shè)備整合為一體。例如，心電信號、肌電信號通過編織電極傳遞至覆蓋有可傳導(dǎo)性的彈力物質(zhì)的織物上[2]。

完整的可穿戴設(shè)備需要由多種傳感器構(gòu)建成傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且與遠程設(shè)備關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)代的無線通訊技術(shù)使得傳感器網(wǎng)絡(luò)更加可靠便捷。早期的可穿戴設(shè)備組網(wǎng)是利用導(dǎo)線將各種穿戴式傳感器連接至終端，并組建成BSN。這種傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式既不利于長期的健康監(jiān)測，也不符合便攜的要求。無線通訊技術(shù)將各類傳感器整合為一體的無線傳感網(wǎng)，但該技術(shù)通常需要滿足3個條件：低成本、硬件微型化以及低功耗。IEEE 802.15.4/ZigBee、藍牙、Wi-Fi等無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，可以使得BSN在滿足低成本、低能耗的要求下，有高速的傳輸率，同時還能保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。大多數(shù)的可穿戴設(shè)備需要將數(shù)據(jù)收集后傳輸至遠程的醫(yī)院系統(tǒng)服務(wù)器用于隨訪調(diào)查或臨床數(shù)據(jù)分析。收集的數(shù)據(jù)通過一定的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，例如，信號處理、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘以及閾值警告等，使得患者的基本健康狀況能夠被實時的觀察及監(jiān)測。

2 可穿戴設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

可穿戴設(shè)備在衛(wèi)生醫(yī)療領(lǐng)域主要應(yīng)用于健康監(jiān)護、安全監(jiān)測、家庭康復(fù)、療效評測、疾病早期發(fā)現(xiàn)5個方面。

2.1 健康監(jiān)護

隨著人口老齡化及醫(yī)療花費升高等問題的日益嚴(yán)重，越來越多的研究致力于通過可穿戴式設(shè)備遠程實時監(jiān)測老年人以及慢性病患者的日常健康狀況，并能夠及時的進行臨床干預(yù)，處理危險情況。

監(jiān)測老年人及慢性患者的日?；顒佑兄匾囊饬x，國內(nèi)外多向研究致力于評測可穿戴設(shè)備監(jiān)測日?；顒拥臏?zhǔn)確度。Mathie等[3]初步研究了利用三維加速度傳感器在無人照顧的家庭環(huán)境下監(jiān)測老年人日?；顒拥目尚行?，可識別出步行、站姿、坐姿、臥姿4種運動狀態(tài)，每日平均可監(jiān)測11.2 h。一項名為BASUMA的項目運用無線體域網(wǎng)監(jiān)測患者的心電圖、血氧飽和度、肺音等生理信號，以改善慢性阻塞性肺疾病的治療效果以及乳腺癌化療的療效[4]。2012年，Emken等[5]設(shè)立了KNOWME項目，對肥胖兒童的體力活動、心率進行實時監(jiān)測，利用藍牙組網(wǎng)，手機作為移動數(shù)據(jù)接收終端。結(jié)果表明，監(jiān)測指標(biāo)的準(zhǔn)確率為84%，對跑步狀態(tài)的辨識度最高（96%），但對靜止不動和坐立不安的兒童分辨度低。此研究被用于監(jiān)測肥胖兒童是否滿足每日運動指標(biāo)。

2.2 安全監(jiān)測

目前多項研究旨在利用可穿戴設(shè)備用于救援隊，監(jiān)測救援人員的情況，及時傳遞警告信息。運用簡易的應(yīng)急反應(yīng)設(shè)備（例如設(shè)有按鈕的手表），按下按鈕，即可通過無線網(wǎng)絡(luò)將警報信息發(fā)送給遠程急救中心。2014年，Huang等[6]設(shè)計了一款利用ZigBee通信技術(shù)的及時發(fā)現(xiàn)老年人室內(nèi)摔倒的系統(tǒng)，可以對摔倒的老年人進行定位并迅速與醫(yī)療人員建立聯(lián)系實施救治。另一項最新研究同樣應(yīng)用無線可穿戴設(shè)備，能夠發(fā)現(xiàn)老人的意外摔倒并及時通知醫(yī)療機構(gòu)，以確保摔倒老人能夠得到及時的救治[7]。

2.3 家庭康復(fù)

可穿戴設(shè)備另一廣泛運用是協(xié)助患者在家庭環(huán)境下進行康復(fù)訓(xùn)練。漢諾威醫(yī)學(xué)院的Tilman等利用三軸加速度傳感器、角速度傳感器、磁力計組成一個傳感器單元，分別置于腰骶關(guān)節(jié)、大腿前外側(cè)、膝關(guān)節(jié)下20 cm處，利用藍牙將原始數(shù)據(jù)實時傳遞給臺式機，再利用軟件將數(shù)據(jù)進行儲存、同步及處理。整個系統(tǒng)可實時監(jiān)測4 h，可計算出步速、步律、步長、運動中膝關(guān)節(jié)可活動的最大角度等，為全膝置換術(shù)后患者的膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練提供實時的幫助[8]。

除了監(jiān)測活動以外，可穿戴設(shè)備借助交互式游戲平臺以及虛擬現(xiàn)實（Vitual Reality，VR）環(huán)境協(xié)助患者康復(fù)。類似可以通過VR模擬的動作都可以通過遠程康復(fù)系統(tǒng)在家中進行系統(tǒng)性鍛煉。相比較傳統(tǒng)的康復(fù)模式，借助VR和可穿戴設(shè)備進行康復(fù)鍛煉，更加安全、有效。自2010年以來，有13項研究利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可穿戴設(shè)備監(jiān)測腦卒中后存在半側(cè)空間忽視（Unilateral Spatial Neglect，USN）的患者的活動，并協(xié)助進行康復(fù)訓(xùn)練[9]。通過對現(xiàn)實環(huán)境的模擬，以一種安全可控的方式，給患者神經(jīng)康復(fù)提供幫助。例如，Kim等[10]在2010年運用一項三維模擬設(shè)備模擬出患者過十字路口的情景，以評價腦卒中患者是否存在USN。2011年，他將24名USN患者分為兩組，一組利用與電腦連接的手套完成指定動作，一組接受常規(guī)的康復(fù)訓(xùn)練，比較兩組患者康復(fù)情況，結(jié)果兩組無顯著差異[11]。

2.4 療效評測

當(dāng)患者兩次隨訪之間的情況可以被監(jiān)測時，治療方案可以對個人進行針對性的調(diào)整[12]。同樣的，可穿戴設(shè)備也可以應(yīng)用臨床隨機對照試驗中。通過準(zhǔn)確的客觀的方式對患者的癥狀進行采集，可以減少觀察患者的數(shù)量，縮短藥物使用的療程，更有效的評測新藥的療效。

例如，對于帕金森患者，如果能夠詳細準(zhǔn)確的收集有關(guān)患者自身對藥物吸收后所產(chǎn)生癥狀變化的信息，精確的控制藥物劑量，將顯著改善患者的生活質(zhì)量。但由于患者的癥狀在數(shù)小時內(nèi)波動很大，而且不易被及時發(fā)現(xiàn)（發(fā)作時間通常小于30 min），如何控制藥物劑量是一個問題。運用穿戴式傳感設(shè)備可以用于監(jiān)測帕金森患者的癥狀，幫助醫(yī)生調(diào)整藥物劑量和測試新藥療效。Manson等[13]將三維加速傳感器置于帕金森患者的肩部，用于監(jiān)控帕金森患者運動障礙的嚴(yán)重程度。Thielgen等[14]利用傳感器自動確定帕金森患者靜止性震顫的嚴(yán)重程度。有研究驗證了步態(tài)障礙與運動評分之間的關(guān)聯(lián)，利用置于患者后背部的二維加速傳感器監(jiān)測步態(tài)的狀態(tài)、步頻、步律以及步行的對稱性[15]。通過對患者癥狀的觀察評分，以判斷藥物的種類、劑量的使用效果。

2.5 疾病早期發(fā)現(xiàn)

將可穿戴設(shè)備用于疾病早期篩查逐漸引起人們的注意。在這個領(lǐng)域較早運用的是篩查慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）。對于COPD患者，能夠早期發(fā)現(xiàn)疾病進展表現(xiàn)有利于控制疾病。COPD進展主要表現(xiàn)為呼吸困難加重、咳嗽，痰液量和性質(zhì)的改變，這些改變主要是呼吸道的功能性損壞所造成的?？纱┐髟O(shè)備能夠及時發(fā)現(xiàn)患者病情進展情況，防止病情進一步的惡化。通過觀測患者活動評級的改變以監(jiān)測COPD的進展。Atallah等[16]研發(fā)了一種套在耳上的傳感器，可以通過復(fù)雜的計算機算法監(jiān)測COPD患者體力活動的水平。Steel等[17]發(fā)現(xiàn)利用三維加速傳感器測得COPD患者的實時活動情況與目前使用的其他測量方式（6 min步行距離，1 s內(nèi)用力肺活量，健康相關(guān)的評測量表）有關(guān)聯(lián)性。

另一個應(yīng)用比較廣泛的領(lǐng)域是早期發(fā)現(xiàn)癡呆。癡呆指的是一系列認知功能的損傷。Haiying等研發(fā)了一種遠程監(jiān)測系統(tǒng)（包括紅外傳感器、床壓傳感器等），用于分析早期癡呆患者的睡眠模式。通過監(jiān)測患者睡眠的質(zhì)量、時長、節(jié)律等，確定患者認知損傷的程度，與正常對照組相比，輕度癡呆患者的睡眠質(zhì)量更低。Jimison等[18]利用簡單的傳感監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了一款標(biāo)準(zhǔn)化的電腦游戲可以用于早期發(fā)現(xiàn)癡呆。

3 問題與挑戰(zhàn)

傳感器的技術(shù)革新、低能耗集成電路的出現(xiàn)以及無線通訊技術(shù)的成熟使得低功耗、體積小、重量輕、智能的生理信號傳感器的設(shè)計運用成為可能。這些傳感器節(jié)點可以感應(yīng)、處理一種或多種生命體征信號，并傳輸?shù)紹SN，以監(jiān)測使用者的健康狀況。這些BSN以一種經(jīng)濟的、無創(chuàng)的、持續(xù)的、非固定的醫(yī)療監(jiān)測模式實時更新醫(yī)療數(shù)據(jù)并通過Internet傳輸至醫(yī)療機構(gòu)，這是一種新的革命性的醫(yī)療模式改變。盡管對于這個課題有大量的研究正在進行，仍然存在許多技術(shù)障礙需要克服。

3.1 傳感器敏感性

當(dāng)使用者在一些特殊環(huán)境下使用可穿戴設(shè)備時（如火災(zāi)狀況下），傳感器的敏感性可能會受到影響。例如，汗水可能會影響到生理信號的傳輸，從而導(dǎo)致可穿戴設(shè)備敏感性降低或者使得傳感器重新校準(zhǔn)。Gietzelt等[19]設(shè)計了一套能夠自主校正的算法應(yīng)用于三維加速度傳感器。更準(zhǔn)確的自我校正及增強敏感性的算法仍然需要被開發(fā)和試驗。

3.2 電池容量

可穿戴設(shè)備的功耗被認為是可穿戴設(shè)備最為關(guān)鍵、亟需解決的問題和挑戰(zhàn)之一。在室內(nèi)，例如在醫(yī)院或是在家，備用電池是一個彌補的辦法。但是，更換電池對于老年人來說是不方便的。另一種方法是設(shè)計出低功耗的傳感器以解決這個問題，這依賴于新的技術(shù)革新。太陽能電池并不適用于可穿戴設(shè)備，因為設(shè)備不能經(jīng)常在暴露太陽光下。目前，利用人的運動及體溫以產(chǎn)生能量的技術(shù)是研究的方向之一[20-21]。

3.3 數(shù)據(jù)采集處理效率

雖然大多數(shù)可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)采集的速率都很高，但開發(fā)高效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)仍是一項重要的課題。例如，一些運用簡易三導(dǎo)聯(lián)監(jiān)測心電圖的設(shè)備無法及時有效的發(fā)現(xiàn)心臟疾病。三維加速度傳感器不具備迅速準(zhǔn)確區(qū)分使用者運動狀態(tài)的能力。實時的生理數(shù)據(jù)采集及分析技術(shù)是不可或缺的。除此以外，定時標(biāo)記、時間排序及不同傳感器之間的同步化也都是研究面臨的重要挑戰(zhàn)。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸可信度

低傳輸功率及無線傳感設(shè)備的微型傳輸裝置可能會降低信噪比，進而導(dǎo)致更高的誤碼率，更小的可靠覆蓋范圍。對于醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備而言，可靠的數(shù)據(jù)傳輸非常重要。Marinkovic等[22]設(shè)計了一款適用于時分多址協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編碼方案，此方案可以進行有效的錯誤恢復(fù)，使得數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。如何在增加傳輸可信度的同時，保持低功耗也是一個重要課題。

3.5 兼容性

多種傳感設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的頻率不同導(dǎo)致了可穿戴設(shè)備兼容性不好的問題。不同設(shè)備間的通訊方式采用不同的波段和協(xié)議，可能會引起相互之間的干擾，尤其是處于科學(xué)和醫(yī)學(xué)波段時。因此，可穿戴設(shè)備必須解決各裝置間的兼容性問題才能得到更好的發(fā)展。

3.6 帶寬問題

可穿戴設(shè)備的可用帶寬通常較低。新型的傳感器節(jié)點可以在250 Kbps的帶寬下運行。但當(dāng)有大數(shù)據(jù)量需要傳輸時，例如診斷的影像學(xué)數(shù)據(jù)，傳輸能力需要達到Mbit/s的層級，現(xiàn)在的帶寬是無法滿足標(biāo)準(zhǔn)的。因此，采取有效的壓縮算法用于處理多媒體數(shù)據(jù)是必要的[23-25]。

4 結(jié)論與展望

目前，已經(jīng)有一系列的可穿戴設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用于健康監(jiān)護、安全監(jiān)測、家庭康復(fù)、療效評測、疾病早期發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域，向老年人、兒童、慢性病患者、從事危險工作的人員提供安全保障。隨著可穿戴設(shè)備隨著核心技術(shù)的進一步發(fā)展，未來將會在醫(yī)療領(lǐng)域有更大的應(yīng)用。

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本文編輯 劉峰

Application and Development of Wearable Devices in Medical Field

JIA Zhen-yu, WANG Wei, WANG Chen, XU Wei-dong
Department of Orthopedics, Changhai Hospital of Second Military Medical University, Shanghai 200433, China

Wearable devices are used as a major measurement to monitor patients’ health conditions in rehabilitation. It plays an important role in health monitoring, safety monitoring, home rehabilitation, assessment of treatment efficacy and early detection of diseases. Wearable devrices were consisted of sensor unit, communication unit and processing unit. With the development of microelectronics, material science and wireless communication technology, wearable devices were widely applied. This article sumed up the application development of wearable devices from the aspects of safety monitoring, home rehabilitation, assessment of treatment efficacy and early detection of diseases, and pointed out problems existed such as data collecting processing efficiency, data transmission reliability, compatibility, bandwidth, etc, and looking forward the future development of wearable devices.

wearable devices; body area network; wireless communication technology; sensor; chronic obstructive pulmonary disease

TP212.3

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.02.026

1674-1633(2017)02-0096-04

2016-04-12

徐衛(wèi)東，教授，主要研究方向為膝、髖關(guān)節(jié)置換和運動醫(yī)學(xué)。

通訊作者郵箱：ch-prof-xu@163.com