智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品及其相關(guān)技術(shù)的探索

張常斌

摘 要：本文介紹了智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的系統(tǒng)組成，用戶端及云端（后臺(tái)）的功能和工作原理，列舉了主要的人體生物指標(biāo)和智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品相關(guān)的傳感器的類型，給出了智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)架的模型，以及智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品技術(shù)方面的短板。

關(guān)鍵詞：人體生物指標(biāo);傳感器;用戶端;云端（后臺(tái)）;無線通訊;人機(jī)交互

1.引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的的不斷發(fā)展，特別是無線通訊技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備日益智能化，市場(chǎng)上也涌現(xiàn)出大量的智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品。像大家比較熟悉的智能手表，智能手環(huán)，還有智能眼鏡[1]等產(chǎn)品。

2.智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品系統(tǒng)組成部分

一個(gè)完整的智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品系統(tǒng)至少包括兩個(gè)部分，用戶端和云端（后臺(tái)），

智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的用戶端就是和人體緊密結(jié)合的可穿戴的部分，就是把傳感器、無線通信、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)嵌入到用戶的眼鏡、手表、手環(huán)、牙套、耳機(jī)、服飾及鞋襪等日常穿戴中或者采用直接貼膚的方式測(cè)量各項(xiàng)人體生物指標(biāo)。

智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的云端（后臺(tái)）就是可以提供遠(yuǎn)程協(xié)助的健康信息數(shù)據(jù)中心或者醫(yī)院的醫(yī)護(hù)系統(tǒng)。

3.智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的用戶端

智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的用戶端的組成一般由傳感器、無線通訊、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互和供電等部分組成。它們之間的關(guān)系如圖1所示：

1）傳感器

傳感器是智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的最前端，它和用戶直接或者間接接觸，像觸角一

樣，采集用戶的人體生物信息。然后把采集到的人體生物信息傳送給數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行處理。傳感器[5]的分類如下：

a）按照測(cè)量對(duì)象分為：體表溫度傳感器，體液分析傳感器（采集汗液中的水分子，葡萄糖氧化酶分子，酒精分子，電解質(zhì)等），氣體傳感器，心電傳感器，心率傳感器，血氧飽和度傳感器，血壓傳感器，血糖傳感器。

b）按照測(cè)量原理分為：電化學(xué)生物傳感器，光電傳感器，壓力傳感器，霍爾傳感

器，角度/加速度/角速度傳感器， 超聲傳感器，GPS等。

c）按照佩戴的部位分為：表皮可穿戴生物傳感器（佩戴于頭部，腕部等身體部位

或者皮膚收集人體生物指標(biāo)）、眼部可穿戴生物傳感器（與眼鏡結(jié)合，測(cè)試眼球移動(dòng)）和口腔可穿戴生物傳感器（與牙套結(jié)合，分析唾液）。

d）主要的人體生物指標(biāo)：心率（HR）、無創(chuàng)血壓（NBP）、有創(chuàng)血壓（IBP）、心電圖（ECG）、血氧飽和度（SPO2）、血糖（Glu）、呼吸（RESP）、脈搏（Pulse）、體溫（TEMP）等。

2）無線通訊

智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備用戶端的無線通訊部分主要完成多傳感器之間或者完成用戶端和后臺(tái)（云端）之間的數(shù)字信號(hào)的傳輸，這類技術(shù)目前發(fā)展的比較成熟，可采用的技術(shù)也比較多，諸如4G/5G、Wifi、藍(lán)牙（BLE） 、Zigbee [3]等

3）數(shù)據(jù)處理

主要完成控制功能和算法功能，控制部分的功能就像人的大腦一樣，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)無

線通訊、傳感器測(cè)量和人機(jī)交互各部分的工作，算法就是對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行

運(yùn)算，數(shù)字化的還原人體生物指標(biāo)。

4）人機(jī)交互

智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備用戶端的人機(jī)交互部分的形式比較多樣，主要方式有LED指示燈、LCD顯示屏、觸摸屏、語音互動(dòng)、文字輸入、手勢(shì)感應(yīng)等，主要完可穿戴醫(yī)療設(shè)備用戶端和用戶之間的信息交流，直觀且準(zhǔn)確的讓用戶了解自身的身體狀態(tài)。

5）供電

智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備用戶端的供電部分一般會(huì)配備一塊便攜電池，可充電的便攜電池可以通過手機(jī)、平板等便攜設(shè)備進(jìn)行充電，也可以通過太陽能光伏充電，也可以搜集人體的生物能（熱能、動(dòng)能、勢(shì)能）進(jìn)行充電。

4.智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的云端（后臺(tái)）

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同主要有兩種模式

1）基于云端健康數(shù)據(jù)中心的人機(jī)互動(dòng)模式，該數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)有成熟的醫(yī)療方案和基礎(chǔ)健康研究數(shù)據(jù)，還建立有用戶的健康檔案，并同步更新。數(shù)據(jù)中心的智能診斷系統(tǒng)對(duì)用戶的新老健康數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，按照醫(yī)生量身定制的健康計(jì)劃及時(shí)向用戶推送身體的狀態(tài)和健康建議，同時(shí)，數(shù)據(jù)中心也可以向值班醫(yī)生報(bào)告用戶的身體狀態(tài)。健康信息數(shù)據(jù)中心可以搭建在公共平臺(tái)的云端服務(wù)器之上，如阿里云，騰訊云，百度云，華為云[1]等，也可以搭建在醫(yī)院自有的云端服務(wù)器之上。

2）基于互聯(lián)網(wǎng)+多媒體的人工后臺(tái)模式， 這種模式是利用互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶和醫(yī)生遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)互動(dòng)，醫(yī)生通過視頻方式，音頻方式，文字方式實(shí)時(shí)了解用戶的身體健康參數(shù)和情緒狀態(tài)，對(duì)用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程的視頻、音頻或者短信推送方式的健康指導(dǎo)，同時(shí)，用戶也可以根據(jù)自己的感受向醫(yī)生咨詢專業(yè)的健康建議。像一些慢性病，如糖尿病，通過這種智能可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)，用戶可以隨時(shí)知道自己的血糖數(shù)據(jù)，通過簡易直觀的人機(jī)界面就可以了解自己的身體狀況，合理的調(diào)整飲食、運(yùn)動(dòng)和作息。像一些急性病，如心臟病，后臺(tái)醫(yī)生會(huì)隨時(shí)觀察用戶的身體狀況，根據(jù)用戶不同的身體狀況，及時(shí)提醒，警示，甚至主動(dòng)出診。

5.智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的系統(tǒng)構(gòu)架

1）移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+便攜終端的模型（圖2）

2）移動(dòng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的模型（圖3）

醫(yī)院可以根據(jù)醫(yī)院自身的軟硬件條件選擇合適的系統(tǒng)構(gòu)架，其中云端和人工后臺(tái)兩種模式可以同時(shí)部署也可以只部署其中的一種。

這兩種模型中用戶端的通訊工具可以使用用戶的智能手機(jī)，把用戶端的應(yīng)用軟件直接安裝到用戶的手機(jī)或者便攜設(shè)備中。當(dāng)然也可以開發(fā)定制的便攜用戶端。

6.智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的技術(shù)短板

智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品近些年來飛速發(fā)展，但是真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地在技術(shù)方面還有一些需要提升的地方，具體有如下九個(gè)主要方面：

1） 提高測(cè)量精度和測(cè)量靈敏度;

2）提高可靠性，能適應(yīng)室內(nèi)和室外的多種工作條件，比如：防水性，耐高低溫，可承受顛簸和撞擊等;

3）減小體積和重量，提升外觀工業(yè)化設(shè)計(jì)水平，滿足用戶的審美需求;

4）降低功耗，增加續(xù)航時(shí)間;

5）簡化操作，友好的人機(jī)交互界面，特別要考慮老年人群的使用;

6）增強(qiáng)實(shí)時(shí)性，提高云端的數(shù)據(jù)中心和醫(yī)護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度;

7）提高軟硬件兼容性，實(shí)現(xiàn)各廠家傳感器數(shù)據(jù)接口的兼容及云端數(shù)據(jù)的共享;

8）增強(qiáng)個(gè)人數(shù)據(jù)的安全性及隱私的保護(hù);

9）跨越醫(yī)療行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證的技術(shù)壁壘。

7.結(jié)束語

智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品作為智慧醫(yī)療的重要組成部分，越來越受到世界各國的重視，科技巨頭也紛紛加入智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備及健康數(shù)據(jù)平臺(tái)的布局。另外，人口老齡化，疫情，慢性病的護(hù)理， 緊急情況的處理以及醫(yī)療資源的不平衡[2][4]等原因都促使醫(yī)療行業(yè)向更智能化的方向發(fā)展，智能可穿戴產(chǎn)品因?yàn)榭梢院陀脩羧旌蚪佑|，可以獲得大量用戶健康數(shù)據(jù)和行為習(xí)慣，是智慧醫(yī)療獲取信息的重要入口，如果在商業(yè)模式上取得進(jìn)一步的突破，未來發(fā)展前景十分可期。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝俊祥，張琳. 智能可穿戴設(shè)備及其應(yīng)用.中國醫(yī)療信息.1006-6586（2015）03-0018-06.

[2]可穿戴健康醫(yī)療設(shè)備前景廣闊. 健康管理. 2014 02

[3]文棟，雷健波. 可穿戴設(shè)備在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用與問題綜述. 中國數(shù)字醫(yī)學(xué).? 1673-7571.2017.08.009

[4]嚴(yán)春美，呂曉榮，許云紅. 移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展前景. 2013 年第32 卷第2 期傳感器與微系統(tǒng)

[5]向飛 ，劉洪濤 ，張秋京，張燕清，趙建軍，徐峰.可穿戴醫(yī)療設(shè)備技術(shù)發(fā)展分析.中國醫(yī)療器械信息.1006.6586（2016）09.0006.06