可穿戴技術及其在醫(yī)療中的應用

徐月月

【摘要】自從2012年谷歌公司推出谷歌眼鏡以來，可穿戴技術及設備成為市場熱點，如與健康相關的可穿戴設備，包括運動手環(huán)，運動心率手表等。隨著人類生活水平的不斷提高，人口老齡化成為一個全球性的發(fā)展趨勢。目前，我國已經(jīng)進入了老齡化社會，老年人的健康和安全問題成為社會關注的焦點。實際上，隨著低功耗芯片技術、傳感技術和無線通信技術的發(fā)展，可穿戴技術已經(jīng)得到迅速的發(fā)展，特別是，可穿戴技術在醫(yī)療方面的應用日益增多。本文介紹了可穿戴技術的相關概念，就其在醫(yī)療方面的應用進行具體闡述，并在此基礎之上，對于可穿戴技術在未來的應用進行了展望，還結合具體情況，對其應用進行了簡單的設想。

【關鍵詞】可穿戴技術 醫(yī)療 網(wǎng)絡技術

一、可穿戴技術概述

（一）可穿戴技術概念

可穿戴技術（wearable technology，WT）是一種研究如何把科技功能整合到人們日常隨身物品里面，并進行智能化設計，開發(fā)出符合用戶要求和需求的穿戴設備的技術。最早是20世紀60年代由美國麻省理工學院媒體實驗室提出的創(chuàng)新技術。利用該技術，可以把多媒體、傳感器和無線通信等技術嵌入人們的衣物中，可支持手勢和眼動操作等多種交互方式，主要探索和創(chuàng)造能直接穿在身上或是整合進用戶的衣服、配件的設備。采用的形式可以是珠寶、太陽眼鏡、背包等配飾，甚至是現(xiàn)實的服飾，比如鞋子或一件夾克。

（二）可穿戴技術的核心技術

（1）嵌入式操作系統(tǒng)技術。嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計算機，是嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統(tǒng)。由于町穿戴計算機系統(tǒng)的體積和存儲空間十分有限，操作系統(tǒng)應盡量壓縮到“專用”的程度，并提高實時性。這使得嵌入式操作系統(tǒng)成為必要，這類系統(tǒng)常常是實時的和微內核的，并具有極強的處理多外設能力。

（2）無線自組網(wǎng)絡技術。町穿戴計算機系統(tǒng)要伴隨人的活動并作為一個移動節(jié)點隨時聯(lián)網(wǎng)，多個這樣的節(jié)點構成一個特殊的網(wǎng)絡，稱之為自組網(wǎng)。在任何時刻、任何地點，不需要現(xiàn)有信息基礎網(wǎng)絡設施的支持就能快速構建起一個移動通信網(wǎng)絡，它是一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的多跳頻、臨時性自治系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)庫存儲與分析挖掘技術。可穿戴計算機系統(tǒng)需要在移動中訪問數(shù)據(jù)庫，這類移動式的數(shù)據(jù)庫管理技術將有別于固定的數(shù)據(jù)庫管理。移動數(shù)據(jù)庫具備以下特性：支持多種連接協(xié)議、完備的嵌入式數(shù)據(jù)庫的管理功能、支持多種嵌入式操作系統(tǒng)。

（4）人機交互技術。可穿戴計算機系統(tǒng)是一個人與計算機密不可分的集合體，因此人機交互技術是可穿戴計算機系統(tǒng)中的關鍵技術，它解決了人與計算機之間的交互問題，通過這種交互提高了對環(huán)境的感知能力。

（三）可穿戴技術的特征

（1）可穿戴。可穿戴設備是平臺微型化、輕巧化、便攜化、簡約化，穿在用戶身上，人與設備的物理和思維關系更緊密，特別是在荒漠、水下等嚴酷環(huán)境都能進行操作和使用。例如，智能紐扣照相機就能像一般紐扣一樣穿戴在衣服上。

（2）移動性。伴隨著用戶的日常活動，用戶可隨時操作。例如，會說話的智能鞋子，安置于鞋身各個部位的傳感器可以收集鞋子的運動信息并發(fā)出俏皮的語音評論，與手機應用連接，你如果久坐不動，鞋子會告訴你：“好無聊的時間，你需要動起來。”

（3）交互性。可穿戴設備在幫助用戶獲取所需手機數(shù)據(jù)的同時，將數(shù)據(jù)進行處理，并將數(shù)據(jù)結果以可視化的形式向用戶進行呈現(xiàn)。例如，蘋果i Watch可以撥打電話和收發(fā)信息，也可以播放音樂和Siri語音搜索。

（4）集成性。用戶身上的佩戴空間是有限的，可穿戴設備的需求是無限的。你不能把無限的穿戴設備全部掛在有限的身體空間上，多合一、具有豐富功能是用戶的期待。加州大學圣地亞哥分校的研究人員創(chuàng)建了一次性的可嵌入傳感器，可以分析一個人的汗水和唾液，進而改善人們的健康。

二、可穿戴技術在醫(yī)療領域的具體應用

近些年來，可穿戴技術的應用日益廣泛，涉及的領域也越來越多。本文就可穿戴技術在醫(yī)療領域的具體應用進行詳細闡述。

（一）可穿戴設備在測量及監(jiān)護上的應用

（1）心臟監(jiān)護。心臟檢查方法主要分為侵入式檢查和非侵入式檢查。侵入式檢查方法監(jiān)測雖然結果準確度高，但會給患者帶來一些創(chuàng)傷，并不適合家庭使用；非侵入式檢查主要是通過心電圖（Electrocardiogram，ECG）方法進行檢測，主要包括常規(guī)心電圖與Holter動態(tài)心電圖，此類方法無創(chuàng)傷，能較為準確地判斷心臟的生理功能，監(jiān)測結果準確度比較高，然而常規(guī)心電圖方法只能記錄短時間心電信號，Holter動態(tài)心電圖存在穿戴舒適度較低，難以做到長時間監(jiān)測的缺陷。

翟紅藝等研制一款監(jiān)測心電異常的可穿戴鍍銀織物，克服了傳統(tǒng)上通過導聯(lián)線來檢測的缺點，采用織物電極以及連接導線的衣服來記錄心電信號。Vitaleonneet公司研制可貼式心臟監(jiān)護儀設備Heart Patch，用戶通過貼附至胸部便可檢測出心率、體溫、運動參數(shù)等八項指標測量。此外，對于可能存在心臟驟停風險的患者，ZOLL公司研制的可穿戴式除顫器Life Vest能幫助患者監(jiān)測心律失常等情況，并且對于遭受嚴重心臟病發(fā)作的患者可以進行緊急除顫，病人出現(xiàn)喪失意識情形時，設備通過電擊讓患者恢復正常心律。

（2）睡眠監(jiān)護。睡眠是幫助人體恢復機能最直接方式，良好睡眠對人們保持充沛精力有著積極作用。隨著人們生活節(jié)奏加快、社會壓力驟增，睡眠問題已經(jīng)成為了影響人們生活與工作一大因素，如何改善睡眠質量，加強睡眠監(jiān)護成為人們關注的熱點。

浙江大學的胡裕軒設計了一款功能相對簡單，適用性更廣的便攜式睡眠監(jiān)護儀。他發(fā)現(xiàn)腦電、下頜肌電、眼電信號適合作為睡眠分期的標準；心電、血氧飽和度、呼吸脈搏波適合作為監(jiān)測睡眠質量的標準。他通過6路EEG頭皮腦電信號、2路眼電信號、2路肌電信號、3導聯(lián)心電、指夾式血氧探頭以及胸腹部呼吸壓力傳感器檢測以上6種信號，儲存于便攜可穿戴式的存儲設備中。實驗表明，該設備可以很好地記錄睡眠時的各項生理數(shù)據(jù)，為分析睡眠質量提供了可靠依據(jù)。

（3）精神壓力檢測。當下是一個高速發(fā)展的社會，由于種種原因，人們都在不懈地奮斗，生活節(jié)奏非常快。特別是，對于生活在一線城市的年輕人來說，每天都面臨著來自各個方面的壓力。研究表明，長期處于精神高壓狀態(tài)下的人，更容易患上精神疾病。由壓力過大帶來的各種問題已經(jīng)成為辦公室環(huán)境中的第二大問題。

為了更好的記錄日常生活中各種環(huán)境帶來的精神壓力，李延軍等人采用約束負荷強度，實驗時間等因素的方法，由牛津儀器的Medilog AR12可穿戴式心電圖機采集ECG數(shù)據(jù)，后用Matlab處理得到HRV數(shù)據(jù)。實驗樣本為9人，平均年齡為25歲，讓被測者由聽輕音樂到讀文章，精神負荷是一個逐漸增長的過程。最后分析HRV數(shù)據(jù)并和被測者主觀感受比較，得到了生活中的壓力和HRV的對應關系，從而有利于解決現(xiàn)代人的精神壓力問題。

（二）可穿戴設備在治療上的應用

（1）糖尿病治療。隨著生活水平的提高，人們的飲食結構發(fā)生了改變。每日吃的食物含糖量明顯增加。但是，快節(jié)奏的生活，使得人們運動量不足，于是，健康問題就日益顯現(xiàn)出來。其中，糖尿病及其并發(fā)癥更為明顯。據(jù)報道，目前中國糖尿病發(fā)病率高達9.6%，嚴重的需要注射胰島素來維持正常的血糖含量，嚴重影響著患者的日常生活。

日本的Naoyuki NAKANISHI等人基于Bio MEMS技術設計了一款手腕式胰島素泵，通過長度為3.8mm、直徑為100 μm的微針，輕緩地刺入腕下皮膚，病人不會感到疼痛。內置的玻電極血糖傳感器通過電解產生內部氣壓變化，調整抽取血液和注射胰島素的速率。血糖高則注射胰島素，血糖低則注射葡萄糖，從而將血糖穩(wěn)定在一個適當?shù)姆秶鷥取?/p>

（2）傷口感染檢測及治療。在美國，靜脈潰瘍等足下肢傷口感染帶來的損失每年高達30億美元，大約15%的糖尿病患者至少會有一個腳發(fā)生糖尿病足潰瘍。而在歐洲，每年糖尿病足部潰瘍的發(fā)病率在2.1%-3.6%。目前臨床上治療下肢靜脈潰瘍的方法主要有壓力壓迫等基礎療法、藥物治療和理療等輔助手段、手術治療等全面治療。但是仍有研究發(fā)現(xiàn)，57%67%的下肢靜脈潰瘍病人沒有得到系統(tǒng)、規(guī)范的治療和護理。

為了更好地檢測并治療下肢靜脈潰瘍等傷口感染，歐盟的第七科技框架計劃中的SWAN-i Care項目使用可穿戴式負壓設備對傷口進行治療，加速傷口康復。該設備在膝蓋旁捆綁一個負壓治療裝置，使用可穿戴式傳感器測量足底和足后部的血氧飽和度等指標，同時在傷口位置貼上具有檢測傷口PH值、炎癥蛋白含量、控制水鹽平衡等功能的“敷料”。利用這個裝置，患者可以不問斷地監(jiān)測傷口康復情況同時不用耽誤日常生活。

（三）可穿戴設備在康復上的應用

（1）骨科康復。目前骨關節(jié)炎的治療方法主要為基于運動療法的康復治療。運動療法可使患者減少疼痛，增強關節(jié)功能和生活質量。然而多數(shù)骨關節(jié)炎患者不能長期遵守康復計劃，從而影響和降低運動療法的效果。Papi等開發(fā)了一種可穿戴式膝關節(jié)監(jiān)測裝置來監(jiān)測骨關節(jié)炎患者的膝關節(jié)功能狀態(tài)。

多數(shù)骨科患者有異常運動模式。美國猶他大學的研究者發(fā)明了一種可穿戴式智能鞋，可以顯著改善下肢骨折和髖關節(jié)置換術后患者的異常運動模式。

手功能康復也是骨科康復的重要部分。Cempini等發(fā)明了一種可穿戴式外骨骼手，以改善患者的手功能，并且具有舒適性、耐磨性以及安全性高等特點。

（2）帕金森病康復。帕金森病（PD）是繼阿爾茲海默癥之后第二常見的神經(jīng)退行性疾病，患病率在發(fā)達國家估占整個人口的O.3%，在超過60歲的人中大約有1%。高患病率使更多的患者需要進行康復訓練，臨床上尚無較好的系統(tǒng)康復方法，多為護理人員根據(jù)病人的癥狀，輔助病人完成基本的行走、鍛煉等運動。重復的操作讓病人更適合使用無人監(jiān)督的可穿戴式設備代替護理人員進行自我康復訓練。凍結步態(tài)是帕金森患者經(jīng)常出現(xiàn)的突然性行走邁步障礙。

以色列的Sinziana Mazilu等人設計了一款幫助帕金森患者克服凍結步態(tài)的可穿戴裝置“Gait-Assist”。它通過置于腳踝上的加速度傳感器自動檢測患者是否存在凍結步態(tài)。如果發(fā)生了凍結步態(tài)，裝置通過藍牙將狀態(tài)信息發(fā)送給智能手機，手機接收到狀態(tài)信息后通過耳機播放有節(jié)奏的聲音提示帕金森患者邁出步伐，克服凍結步態(tài)情況。意大利的M.Ferrarin等人設計了一套可穿戴眼鏡，眼鏡左右兩側各安裝一個7×10的LED陣列。通過安裝在腳踝上的加速度傳感器自動檢測凍結步態(tài)，將檢測結果無線發(fā)送給眼鏡，眼鏡控制相應邁步的腳一側的LED發(fā)光，指示病人邁步。

三、可穿戴技術應用展望

現(xiàn)階段，可穿戴技術大多數(shù)還只是停留在“可穿戴”上，比如穿戴在人的身體上或者安裝在物體的某個部位，隨著技術地不斷發(fā)展，可穿戴技術在未來將向著可植入式、嵌入式方向發(fā)展。就像現(xiàn)在的RFID一樣，可以嵌入在物體內部進行適時地監(jiān)測。未來，可穿戴技術也有町能植入人體內，用于痛細胞的監(jiān)測。目前，癌癥的治療在醫(yī)療上還存在著很大的缺陷。首先，癌癥早期不易察覺和發(fā)現(xiàn)，這就影響了癌癥的早期治療。其次，當發(fā)現(xiàn)時，往往大多數(shù)都是處于癌癥晚期，給治療增加了難度。加上目前我國的針對癌癥治療技術水平有限，使得患者生還的幾率很低。所以，未來可以針對癌癥監(jiān)測設計一款可植入人體的可穿戴技術，用于實時監(jiān)測痛細胞的變化。一旦，癌細胞出現(xiàn)異常情況，可穿戴技術就會向身體發(fā)生“報警”信號，讓人們第一時間知道自己的身體狀況，及時的到醫(yī)院進行就診，避免病情的進一步惡化。

另外，現(xiàn)在移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，產生了智慧家居、智慧物流、智慧城市等，那么，可穿戴技術在未來要想獲得更大的發(fā)展空間，就應該搭乘互聯(lián)網(wǎng)的順風車。將可穿戴設備、醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等結合，形成智慧醫(yī)療，更好的為人們服務。

四、總結

在醫(yī)療領域，可穿戴技術已經(jīng)逐漸從應用研究走向了實際的應用。作為新型醫(yī)療設備，目前的可穿戴設備存在一些不足之處，比如動態(tài)測量條件下的信號可靠性，監(jiān)測設備長期使用的舒適性、方便性，個人數(shù)據(jù)的隱私保護等問題。需要在新型傳感技術、信號處理技術、芯片低功耗技術、電池供電技術等方面的持續(xù)創(chuàng)新，才能使得可穿戴設備能廣泛應用到人們的日常生活中。移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來。可穿戴設備與移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析相結合，能夠實現(xiàn)疾病的早期發(fā)現(xiàn)和早期診斷，降低個人和社會的醫(yī)療成本，有效提升個人的健康水平，必將成為未來技術發(fā)展的重要方向。

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