浅谈可穿戴设备在人体健康监测领域的应用与发展

河北正定中学 赵君豪

近年来我国老龄化程度日益加剧，各种慢性病患者数量呈逐年增长态势。越来越多的人也更关注自身的健康问题。随着网络技术与智能硬件的快速发展，使得可穿戴设备成为当前研究的热点。将可穿戴设备应用于人体健康监测领域，为疾病的监测与诊疗提供了一条新的路径，已成为当前医疗器械创新的一个热点。基于此，本文简要介绍了可穿戴设备在人体健康监测领域的应用现状以及发展趋势。

1.可穿戴医疗设备的概念

当前，国际上所公认的可穿戴设备的定义是将计算机“穿戴”在人体上的有传感器、驱动器、显示器、计算机元素构成的物理世界，并利用无线网络连接，为人们提供了一个有趣的数字世界，让人们的生活更舒适便利的一种设备。这类设备具有可穿戴性、可移动性、可交互性、可持续性、操作简便等优点[1]。可穿戴医疗设备是将传感器、多媒体、无线通信等技术嵌入到如手表、手环、眼镜、鞋袜等日常服饰中。通过紧体的佩戴方式实现随时随地监测健康体征，包括血压、血糖、体温、心率、呼吸频率、血氧含量等。

2.可穿戴医疗设备的分类

近年来随着健康医疗可穿戴设备市场的兴起，大量设备制造商涌入。统计显示，我国有103家企业研发了148余款可穿戴医疗设备。常见的设备形态包括头带、项链、眼镜、马甲、衣服、腰带、手表、手环、脚环等。其中，以手表、手环最为常见，大多用于监测健康情况，如运动、睡眠、心率及周围环境相关参数等。此外，还有少数手环、手表融入了先进技术，实现了基于光学传感器的血压水平与血液成分的监测。按采集模式分类，可穿戴设备分为三种，包括定时采集、需要时采集、不间断采集。这主要由用户需求与应用场景来决定。可穿戴设备采集的数据主要有血压、心电、心率、呼吸、运动步数、卡路里等生理参数，血液、尿液、泪液、血红蛋白、白血球等生化数据，身体各部位照片与便携式B超等影像数据[2]。根据设备功能用途来分，可穿戴设备可分为健康监测、筛查、诊断、治疗、干预等多种。

3.可穿戴设备在健康监测领域的应用

3.1 心脏监护

心脏病是当前威胁人类健康的主要疾病之一。据数据显示国内因心脏疾病致死的人数仅次于肿瘤、脑血管疾病[1]。而心脏疾病的发作具有突发性与随机性的特点，不少患者往往错过了最佳救治时间而使病情加重，甚至死亡。另据研究显示，心脏骤停大多死于院外，占比为60%～75%，原因就是缺乏有效的监护[2]。可见，日常的监护是发现与防控心脏类疾病的有效手段。

目前，临床主要通过心电图（ECG）来诊断心脏疾病。动态心电图仪虽能24h连续监测心电数据，也易发现常规ECG难以发现的心脏异常问题。但是它需要将7个电极贴在患者腹部与胸前，严重影响到患者的生活，而且长时间佩戴也易引起皮肤瘙痒等不良反应。因此，难以完成7天以上的长时间监测。翟红艺等人研发了穿戴衣，用镀银织物电极取代了传统粘性电极，从而解决了导电胶对皮肤的刺激问题，也能避免粘性电极长期使用后电极性能的减弱。穿戴衣共有4个织物电极，分别贴在左右胸骨柄、下腹部两侧，并与衣服内置导线及数据采集装置相连，可提供三通道心电信号。研究结果显示，穿衣者在行走、上下楼梯、搬运轻物时，穿戴衣检测到的R波平均识别准确率为96.37%[3]。此外，有人研发了端到端的远程心脏监护系统，由智能心电节点、智能手机APP、移动健康平台组成。该远程心脏监护系统可采集心电数据、对信号质量进行分析，筛查与评估心律失常。用户佩戴智能心电节点，所采集的心电数据经低功耗蓝牙实时传输到智能手机上。智能手机利用信号质量检测算法分析心电数据，得出分析结果。用户根据结果显示调整佩戴位置。若心电数据信号质量是合格的，智能手机会对心电数据保存一段时间（如半分钟），并利用智能算法进行分析，判断心律是否失常，并对心律失常严重程度进行评估。最后，利用移动健康创新平台共享相关原始心电数据与算法分析结果，由医生判断是否有异常，并及时通知用户到医院。

3.2 睡眠监护

我国有近50%的人存在不同程度的睡眠障碍问题，主要包括失眠症、睡眠呼吸暂停综合症、嗜睡症等。监测睡眠的目的是为了判断睡眠质量，便于发现睡眠疾病，如常见的睡眠呼吸暂停综合症。张政波等人设计了穿戴式呼吸感应体积描记系统（RIP），将生命信息检测技术融入到可穿戴技术中，并成功应用到睡眠医学研究中。该设备为背心式，可得到胸、腹呼吸波等数据，并在呼吸用力相关性微觉醒的判断方面有着一定的优势。该设备可应用于家庭与社区的睡眠呼吸事件的监测。ActiGraph活动记录仪则是一种可穿戴的智能化电子设备，能自动识别佩戴时间与入睡时间，主要用于监测与判断睡眠错觉、睡眠中断性失眠及生物节律紊乱等疾病。该设备出具的数据具有极高的信度与效度，基本符合多导睡眠监测报告结果。

3.3 关节运动功能监护

可穿戴设备可借助加速度与肌电传感器来获取运动及运动肌的活动模式，进而监测运动肌的功能。一般可用监测中风或帕金森患者的不自主运动情况。通过对步态的测量追踪分析，通过捕捉步态特点与步幅来测试评估人们的运动功能。比如，瑞士的Benoit Mariani等人在鞋子内植入了陀螺仪与三轴加速度传感器，便于对帕金森患者步态的实时追踪测量分析，以对其运动功能进行评估。将微信传感器、无线通信技术以及位置服务系统、相关跌倒检测技术应用到该设备中可实现对老年人是否跌倒的远程监测[4]。此外，另有研究者把导电纤维嵌入到舒适富有弹性的面料中制作成可穿戴的裤子，利用导电纤维传感器监测髋关节、膝关节的联合运动情况，从而更精确地量化关节运动。这能用于监测残疾人员或下肢受伤者的下肢关节运动情况，评价他们的生活质量。

3.4 血糖、血压等指标监测

对于糖尿病、高血压患者来说需要长期监测自己的血糖或血压水平，可穿戴设备使这个问题更简单、可操作性更强。美敦力、Dex-Com等公司已研发出便携的胰岛素泵。可穿戴式胰岛素泵由三部分组成，包括注射装置、连续血糖测定系统、计算注射量的控制系统。该胰岛素泵能连续监测血糖水平，并智能注射胰岛素，但缺点在于体积稍大，使用不够方便。日本人Naoyuki NAKANISHI运用Bio-MEMS技术研发了一种手腕式胰岛素泵，微针仅3.8mm长，直径为100μm，刺入皮肤后不会有明显痛感。同时，可智能化控制胰岛素的注射速率与注射量，将血糖保持在较为稳定的范围内。此外，Mumu可穿戴上臂式智能血压计可根据患者设定时间来监测血压，并利用云端备份数据，对血压数据进行分析比较，便于患者的血压管理。

4.可穿戴设备的需求与前景

根据我国产业调研网发布的2016-2020年我国可穿戴设备市场深度调查分析及发展趋势研究报告可知，在未来几年中可穿戴设备行业的技术突破点及投资重点将围绕以下三方面开展：

4.1 健康、运动及医疗产品

伴随着公众生活水平的日益提高，个人保健意识也日益增强。因此，健康、运动及医疗市场需求明显增加，可穿戴设备行业也迎来了发展的大好时机。这是可穿戴设备行业发展的市场需求与方向。

4.2 外观设计、材料工艺

产品的外观设计与材料工艺不仅会影响产品的品质，也直接影响着用户的选择。据相关调查显示，大部分智能硬件产品的消费者为男性，占比为85%[5]。由于女性更关注产品的外观设计，而由于可穿戴设备行业发展正处于初期阶段，水平有限，因此，难以让女性成为行业目标受众。随着技术的完善，可以预计外形美观，质感好的产品也会逐渐吸引更多的女性消费者。而运动手环、智能皮带等设备具有较高的市场潜力。未来的可穿戴设备会使用与人体更贴合的纺织材料、贴片，为用户提供无感知化的使用体验。

4.3 能源问题的突破

目前，大多数可穿戴设备存在电池续航时间短，待机时间短等问题。这也是所有智能产品的软肋，尚无有效的解决措施。由于电池续航能力主要与体积大小有关，而可穿戴设备一般要求小体积，从而导致了产品外观与续航间的矛盾。未来将大容量小体积的薄膜微电池、集成多传感器的SoC芯片、Power Gating超低功耗技术应用到这一领域可进一步减少可穿戴设备的功耗，缩小产品外形体积。

总之，可穿戴设备作为一个新兴产业，具有良好的发展前景与广阔的市场空间。在医疗领域可穿戴设备正从应用研究走向了实际的应用。除了监测用户个人健康外，还能够为医疗提供新的诊断与治疗手段，有效解决了临床方面的实际需求。当然，作为一种新型医疗设备，可穿戴设备还存在很多不足亟待解决，如舒适性、方便性、低功耗等问题。这需要研发人员进一步的开发，将各种先进技术融入到可穿戴设备中，并借助互联网与大数据分析，实现对疾病的早期发现与早期诊断，为人们的健康做好保障。

[1]梅策香,柳钰,曾利霞.可穿戴设备在人体健康监测中的应用与发展现状[J].电子世界,2016,27(19):8-10.

[2]寿文卉,王义,王博,等.可穿戴及便携式设备在健康医疗领域的应用分析[J].互联网天地,2015,23(8):26-27.

[3]孙焱,戴启锐.可穿戴设备与医疗健康产业关系研究及发展趋势分析[J].中国数字医学,2015,31(8):25-28.

[4]孙斐.以用户为中心的老年人可穿戴产品设计研究[J].包装工程,2016,37(8):158-161.

[5]肖笛.可穿戴设备与人的融合[J].科技与创新,2015,24(10):95-97.