可穿戴技術及其在醫療中的應用

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，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展趨勢。目前，我國已經進入了老齡化社會，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展，可穿戴技術已經得到迅速的發展，特別是，可穿戴技術在醫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 醫療 網絡技術

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）嵌入式操作系統技術。嵌入式系統誕生于微型計算機，是嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統。由于町穿戴計算機系統的體積和存儲空間十分有限，操作系統應盡量壓縮到“專用”的程度，并提高實時性。這使得嵌入式操作系統成為必要，這類系統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）無線自組網絡技術。町穿戴計算機系統要伴隨人的活動并作為一個移動節點隨時聯網，多個這樣的節點構成一個特殊的網絡，稱之為自組網。在任何時刻、任何地點，不需要現有信息基礎網絡設施的支持就能快速構建起一個移動通信網絡，它是一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的多跳頻、臨時性自治系統。

（3）數據庫存儲與分析挖掘技術?？纱┐饔嬎銠C系統需要在移動中訪問數據庫，這類移動式的數據庫管理技術將有別于固定的數據庫管理。移動數據庫具備以下特性：支持多種連接協議、完備的嵌入式數據庫的管理功能、支持多種嵌入式操作系統。

（4）人機交互技術?？纱┐饔嬎銠C系統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境的感知能力。

（三）可穿戴技術的特征

（1）可穿戴?？纱┐髟O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?？纱┐髟O備在幫助用戶獲取所需手機數據的同時，將數據進行處理，并將數據結果以可視化的形式向用戶進行呈現。例如，蘋果i Watch可以撥打電話和收發信息，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護上的應用

（1）心臟監護。心臟檢查方法主要分為侵入式檢查和非侵入式檢查。侵入式檢查方法監測雖然結果準確度高，但會給患者帶來一些創傷，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，主要包括常規心電圖與Holter動態心電圖，此類方法無創傷，能較為準確地判斷心臟的生理功能，監測結果準確度比較高，然而常規心電圖方法只能記錄短時間心電信號，Holter動態心電圖存在穿戴舒適度較低，難以做到長時間監測的缺陷。

翟紅藝等研制一款監測心電異常的可穿戴鍍銀織物，克服了傳統上通過導聯線來檢測的缺點，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能幫助患者監測心律失常等情況，并且對于遭受嚴重心臟病發作的患者可以進行緊急除顫，病人出現喪失意識情形時，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。隨著人們生活節奏加快、社會壓力驟增，睡眠問題已經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護儀。他發現腦電、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據，為分析睡眠質量提供了可靠依據。

（3）精神壓力檢測。當下是一個高速發展的社會，由于種種原因，人們都在不懈地奮斗，生活節奏非?？?。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成為辦公室環境中的第二大問題。

為了更好的記錄日常生活中各種環境帶來的精神壓力，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數據，后用Matlab處理得到HRV數據。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數據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，人們的飲食結構發生了改變。每日吃的食物含糖量明顯增加。但是，快節奏的生活，使得人們運動量不足，于是，健康問題就日益顯現出來。其中，糖尿病及其并發癥更為明顯。據報道，目前中國糖尿病發病率高達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，從而將血糖穩定在一個適當的范圍內。

（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生糖尿病足潰瘍。而在歐洲，每年糖尿病足部潰瘍的發病率在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。但是仍有研究發現，57%67%的下肢靜脈潰瘍病人沒有得到系統、規范的治療和護理。

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，增強關節功能和生活質量。然而多數骨關節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等開發了一種可穿戴式膝關節監測裝置來監測骨關節炎患者的膝關節功能狀態。

多數骨科患者有異常運動模式。美國猶他大學的研究者發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?。≒D）是繼阿爾茲海默癥之后第二常見的神經退行性疾病，患病率在發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康復方法，多為護理人員根據病人的癥狀，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。凍結步態是帕金森患者經常出現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。如果發生了凍結步態，裝置通過藍牙將狀態信息發送給智能手機，手機接收到狀態信息后通過耳機播放有節奏的聲音提示帕金森患者邁出步伐，克服凍結步態情況。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，將檢測結果無線發送給眼鏡，眼鏡控制相應邁步的腳一側的LED發光，指示病人邁步。

三、可穿戴技術應用展望

現階段，可穿戴技術大多數還只是停留在“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，隨著技術地不斷發展，可穿戴技術在未來將向著可植入式、嵌入式方向發展。就像現在的RFID一樣，可以嵌入在物體內部進行適時地監測。未來，可穿戴技術也有町能植入人體內，用于痛細胞的監測。目前，癌癥的治療在醫療上還存在著很大的缺陷。首先，癌癥早期不易察覺和發現，這就影響了癌癥的早期治療。其次，當發現時，往往大多數都是處于癌癥晚期，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測設計一款可植入人體的可穿戴技術，用于實時監測痛細胞的變化。一旦，癌細胞出現異常情況，可穿戴技術就會向身體發生“報警”信號，讓人們第一時間知道自己的身體狀況，及時的到醫院進行就診，避免病情的進一步惡化。

另外，現在移動互聯網的快速發展，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展空間，就應該搭乘互聯網的順風車。將可穿戴設備、醫療、互聯網和大數據等結合，形成智慧醫療，更好的為人們服務。

四、總結

在醫療領域，可穿戴技術已經逐漸從應用研究走向了實際的應用。作為新型醫療設備，目前的可穿戴設備存在一些不足之處，比如動態測量條件下的信號可靠性，監測設備長期使用的舒適性、方便性，個人數據的隱私保護等問題。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創新，才能使得可穿戴設備能廣泛應用到人們的日常生活中。移動互聯網和大數據時代已經到來。可穿戴設備與移動互聯網、大數據分析相結合，能夠實現疾病的早期發現和早期診斷，降低個人和社會的醫療成本，有效提升個人的健康水平，必將成為未來技術發展的重要方向。

參考文獻：

[1]徐星.可穿戴技術[J].上海教育，2013.

[2]顏延，鄒浩.可穿戴技術的發展[J].中國生物醫學工程學報，2015.

[3]陳文峰，趙慧臣.可穿戴技術的特點及教育應用[J].數字教育，2015.

[4]侯愛娟，于長禾.可穿戴技術在中醫領域的應用前景分析[J].中醫雜志，2017.

[5]黃海誠，汪豐.可穿戴技術在醫療中的研究與應用[J].中國醫療設備，2015.

[6]張文豪，李建軍.可穿戴技術在康復醫學領域中的研究進展[J].中國康復理論與實踐，2017.

[7]匡紹龍，房銀芳.可穿戴技術應用于術后監控和康復的現狀分析[J].科技導報，2017.

[8]周旺，賈天震.可穿戴醫療健康監護現狀與展望[J].中國醫療設備，2017.

[9]呂建軍，彭凱.可穿戴技術在健康領域發展的SWOT分析[J].中國社會醫學雜志，2016.

[10]朱婧.國內外可穿戴行業發展動態與趨勢[J].廣東科技，2015.