淺談可穿戴設備在人體健康監測領域的應用與發展

河北正定中學 趙君豪

近年來我國老齡化程度日益加劇，各種慢性病患者數量呈逐年增長態勢。越來越多的人也更關注自身的健康問題。隨著網絡技術與智能硬件的快速發展，使得可穿戴設備成為當前研究的熱點。將可穿戴設備應用于人體健康監測領域，為疾病的監測與診療提供了一條新的路徑，已成為當前醫療器械創新的一個熱點?；诖?，本文簡要介紹了可穿戴設備在人體健康監測領域的應用現狀以及發展趨勢。

1.可穿戴醫療設備的概念

當前，國際上所公認的可穿戴設備的定義是將計算機“穿戴”在人體上的有傳感器、驅動器、顯示器、計算機元素構成的物理世界，并利用無線網絡連接，為人們提供了一個有趣的數字世界，讓人們的生活更舒適便利的一種設備。這類設備具有可穿戴性、可移動性、可交互性、可持續性、操作簡便等優點[1]?？纱┐麽t療設備是將傳感器、多媒體、無線通信等技術嵌入到如手表、手環、眼鏡、鞋襪等日常服飾中。通過緊體的佩戴方式實現隨時隨地監測健康體征，包括血壓、血糖、體溫、心率、呼吸頻率、血氧含量等。

2.可穿戴醫療設備的分類

近年來隨著健康醫療可穿戴設備市場的興起，大量設備制造商涌入。統計顯示，我國有103家企業研發了148余款可穿戴醫療設備。常見的設備形態包括頭帶、項鏈、眼鏡、馬甲、衣服、腰帶、手表、手環、腳環等。其中，以手表、手環最為常見，大多用于監測健康情況，如運動、睡眠、心率及周圍環境相關參數等。此外，還有少數手環、手表融入了先進技術，實現了基于光學傳感器的血壓水平與血液成分的監測。按采集模式分類，可穿戴設備分為三種，包括定時采集、需要時采集、不間斷采集。這主要由用戶需求與應用場景來決定?？纱┐髟O備采集的數據主要有血壓、心電、心率、呼吸、運動步數、卡路里等生理參數，血液、尿液、淚液、血紅蛋白、白血球等生化數據，身體各部位照片與便攜式B超等影像數據[2]。根據設備功能用途來分，可穿戴設備可分為健康監測、篩查、診斷、治療、干預等多種。

3.可穿戴設備在健康監測領域的應用

3.1 心臟監護

心臟病是當前威脅人類健康的主要疾病之一。據數據顯示國內因心臟疾病致死的人數僅次于腫瘤、腦血管疾病[1]。而心臟疾病的發作具有突發性與隨機性的特點，不少患者往往錯過了最佳救治時間而使病情加重，甚至死亡。另據研究顯示，心臟驟停大多死于院外，占比為60%～75%，原因就是缺乏有效的監護[2]。可見，日常的監護是發現與防控心臟類疾病的有效手段。

目前，臨床主要通過心電圖（ECG）來診斷心臟疾病。動態心電圖儀雖能24h連續監測心電數據，也易發現常規ECG難以發現的心臟異常問題。但是它需要將7個電極貼在患者腹部與胸前，嚴重影響到患者的生活，而且長時間佩戴也易引起皮膚瘙癢等不良反應。因此，難以完成7天以上的長時間監測。翟紅藝等人研發了穿戴衣，用鍍銀織物電極取代了傳統粘性電極，從而解決了導電膠對皮膚的刺激問題，也能避免粘性電極長期使用后電極性能的減弱。穿戴衣共有4個織物電極，分別貼在左右胸骨柄、下腹部兩側，并與衣服內置導線及數據采集裝置相連，可提供三通道心電信號。研究結果顯示，穿衣者在行走、上下樓梯、搬運輕物時，穿戴衣檢測到的R波平均識別準確率為96.37%[3]。此外，有人研發了端到端的遠程心臟監護系統，由智能心電節點、智能手機APP、移動健康平臺組成。該遠程心臟監護系統可采集心電數據、對信號質量進行分析，篩查與評估心律失常。用戶佩戴智能心電節點，所采集的心電數據經低功耗藍牙實時傳輸到智能手機上。智能手機利用信號質量檢測算法分析心電數據，得出分析結果。用戶根據結果顯示調整佩戴位置。若心電數據信號質量是合格的，智能手機會對心電數據保存一段時間（如半分鐘），并利用智能算法進行分析，判斷心律是否失常，并對心律失常嚴重程度進行評估。最后，利用移動健康創新平臺共享相關原始心電數據與算法分析結果，由醫生判斷是否有異常，并及時通知用戶到醫院。

3.2 睡眠監護

我國有近50%的人存在不同程度的睡眠障礙問題，主要包括失眠癥、睡眠呼吸暫停綜合癥、嗜睡癥等。監測睡眠的目的是為了判斷睡眠質量，便于發現睡眠疾病，如常見的睡眠呼吸暫停綜合癥。張政波等人設計了穿戴式呼吸感應體積描記系統（RIP），將生命信息檢測技術融入到可穿戴技術中，并成功應用到睡眠醫學研究中。該設備為背心式，可得到胸、腹呼吸波等數據，并在呼吸用力相關性微覺醒的判斷方面有著一定的優勢。該設備可應用于家庭與社區的睡眠呼吸事件的監測。ActiGraph活動記錄儀則是一種可穿戴的智能化電子設備，能自動識別佩戴時間與入睡時間，主要用于監測與判斷睡眠錯覺、睡眠中斷性失眠及生物節律紊亂等疾病。該設備出具的數據具有極高的信度與效度，基本符合多導睡眠監測報告結果。

3.3 關節運動功能監護

可穿戴設備可借助加速度與肌電傳感器來獲取運動及運動肌的活動模式，進而監測運動肌的功能。一般可用監測中風或帕金森患者的不自主運動情況。通過對步態的測量追蹤分析，通過捕捉步態特點與步幅來測試評估人們的運動功能。比如，瑞士的Benoit Mariani等人在鞋子內植入了陀螺儀與三軸加速度傳感器，便于對帕金森患者步態的實時追蹤測量分析，以對其運動功能進行評估。將微信傳感器、無線通信技術以及位置服務系統、相關跌倒檢測技術應用到該設備中可實現對老年人是否跌倒的遠程監測[4]。此外，另有研究者把導電纖維嵌入到舒適富有彈性的面料中制作成可穿戴的褲子，利用導電纖維傳感器監測髖關節、膝關節的聯合運動情況，從而更精確地量化關節運動。這能用于監測殘疾人員或下肢受傷者的下肢關節運動情況，評價他們的生活質量。

3.4 血糖、血壓等指標監測

對于糖尿病、高血壓患者來說需要長期監測自己的血糖或血壓水平，可穿戴設備使這個問題更簡單、可操作性更強。美敦力、Dex-Com等公司已研發出便攜的胰島素泵?？纱┐魇揭葝u素泵由三部分組成，包括注射裝置、連續血糖測定系統、計算注射量的控制系統。該胰島素泵能連續監測血糖水平，并智能注射胰島素，但缺點在于體積稍大，使用不夠方便。日本人Naoyuki NAKANISHI運用Bio-MEMS技術研發了一種手腕式胰島素泵，微針僅3.8mm長，直徑為100μm，刺入皮膚后不會有明顯痛感。同時，可智能化控制胰島素的注射速率與注射量，將血糖保持在較為穩定的范圍內。此外，Mumu可穿戴上臂式智能血壓計可根據患者設定時間來監測血壓，并利用云端備份數據，對血壓數據進行分析比較，便于患者的血壓管理。

4.可穿戴設備的需求與前景

根據我國產業調研網發布的2016-2020年我國可穿戴設備市場深度調查分析及發展趨勢研究報告可知，在未來幾年中可穿戴設備行業的技術突破點及投資重點將圍繞以下三方面開展：

4.1 健康、運動及醫療產品

伴隨著公眾生活水平的日益提高，個人保健意識也日益增強。因此，健康、運動及醫療市場需求明顯增加，可穿戴設備行業也迎來了發展的大好時機。這是可穿戴設備行業發展的市場需求與方向。

4.2 外觀設計、材料工藝

產品的外觀設計與材料工藝不僅會影響產品的品質，也直接影響著用戶的選擇。據相關調查顯示，大部分智能硬件產品的消費者為男性，占比為85%[5]。由于女性更關注產品的外觀設計，而由于可穿戴設備行業發展正處于初期階段，水平有限，因此，難以讓女性成為行業目標受眾。隨著技術的完善，可以預計外形美觀，質感好的產品也會逐漸吸引更多的女性消費者。而運動手環、智能皮帶等設備具有較高的市場潛力。未來的可穿戴設備會使用與人體更貼合的紡織材料、貼片，為用戶提供無感知化的使用體驗。

4.3 能源問題的突破

目前，大多數可穿戴設備存在電池續航時間短，待機時間短等問題。這也是所有智能產品的軟肋，尚無有效的解決措施。由于電池續航能力主要與體積大小有關，而可穿戴設備一般要求小體積，從而導致了產品外觀與續航間的矛盾。未來將大容量小體積的薄膜微電池、集成多傳感器的SoC芯片、Power Gating超低功耗技術應用到這一領域可進一步減少可穿戴設備的功耗，縮小產品外形體積。

總之，可穿戴設備作為一個新興產業，具有良好的發展前景與廣闊的市場空間。在醫療領域可穿戴設備正從應用研究走向了實際的應用。除了監測用戶個人健康外，還能夠為醫療提供新的診斷與治療手段，有效解決了臨床方面的實際需求。當然，作為一種新型醫療設備，可穿戴設備還存在很多不足亟待解決，如舒適性、方便性、低功耗等問題。這需要研發人員進一步的開發，將各種先進技術融入到可穿戴設備中，并借助互聯網與大數據分析，實現對疾病的早期發現與早期診斷，為人們的健康做好保障。

[1]梅策香,柳鈺,曾利霞.可穿戴設備在人體健康監測中的應用與發展現狀[J].電子世界,2016,27(19):8-10.

[2]壽文卉,王義,王博,等.可穿戴及便攜式設備在健康醫療領域的應用分析[J].互聯網天地,2015,23(8):26-27.

[3]孫焱,戴啟銳.可穿戴設備與醫療健康產業關系研究及發展趨勢分析[J].中國數字醫學,2015,31(8):25-28.

[4]孫斐.以用戶為中心的老年人可穿戴產品設計研究[J].包裝工程,2016,37(8):158-161.

[5]肖笛.可穿戴設備與人的融合[J].科技與創新,2015,24(10):95-97.