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(hù)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(lèi)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(hù)端;云端（后臺(tái)）;無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(hù)端和云端（后臺(tái)），

智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的用戶(hù)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(wú)線(xiàn)通信、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)嵌入到用戶(hù)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(hù)端

智能可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的用戶(hù)端的組成一般由傳感器、無(wú)線(xiàn)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(hù)直接或者間接接觸，像觸角一

樣，采集用戶(hù)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(lèi)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(wú)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(wú)線(xiàn)通訊

智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備用戶(hù)端的無(wú)線(xiàn)通訊部分主要完成多傳感器之間或者完成用戶(hù)端和后臺(tái)（云端）之間的數(shù)字信號(hào)的傳輸，這類(lèi)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(wú)

線(xiàn)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(hù)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(yǔ)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(hù)端和用戶(hù)之間的信息交流，直觀且準(zhǔn)確的讓用戶(hù)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(hù)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(guò)手機(jī)、平板等便攜設(shè)備進(jìn)行充電，也可以通過(guò)太陽(yáng)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)和醫(yī)生遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)互動(dòng)，醫(yī)生通過(guò)視頻方式，音頻方式，文字方式實(shí)時(shí)了解用戶(hù)的身體健康參數(shù)和情緒狀態(tài)，對(duì)用戶(hù)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(hù)也可以根據(jù)自己的感受向醫(yī)生咨詢(xún)專(zhuān)業(yè)的健康建議。像一些慢性病，如糖尿病，通過(guò)這種智能可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)，用戶(hù)可以隨時(shí)知道自己的血糖數(shù)據(jù)，通過(guò)簡(jiǎn)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(hù)的身體狀況，根據(jù)用戶(hù)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(hù)端的通訊工具可以使用用戶(hù)的智能手機(jī)，把用戶(hù)端的應(yīng)用軟件直接安裝到用戶(hù)的手機(jī)或者便攜設(shè)備中。當(dāng)然也可以開(kāi)發(fā)定制的便攜用戶(hù)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(lái)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(mǎn)足用戶(hù)的審美需求;

4）降低功耗，增加續(xù)航時(shí)間;

5）簡(jiǎn)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(chǎng)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(yǔ)

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(lái)越受到世界各國(guó)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?hù)全天候接觸，可以獲得大量用戶(hù)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(lái)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(guó)醫(yī)療信息.1006-6586（2015）03-0018-06.

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[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(wèn)題綜述. 中國(guó)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(guó)醫(yī)療器械信息.1006.6586（2016）09.0006.06