可穿戴技术在人体健康监测中的应用进展

刘亚男， 丛 杉

(上海工程技术大学 服装学院， 上海 201620)

可穿戴技术主要探索和创造能直接穿在身上，或是整合进用户衣服或配件设备的科学技术[1]。1966年美国麻省理工学院学生索普和香农等研制的用于轮盘赌的设备是历史上第1个智能可穿戴设备[2]。从此可穿戴技术逐渐出现在人们的视野中，同时随着科学技术的飞速发展而日趋成熟，不仅为人们提供了更加便捷的生活娱乐方式，更在医疗、军事等领域颇有造诣。其受益对象更是涉及到了老人、儿童、孕妇以及病人等这些具有生理或心理障碍的人群，足以见得可穿戴技术在人体健康监测中变得尤为重要。而就目前的可穿戴设备来看，在消费者对产品的需求度与接受度、服装的舒适度以及监测数据的可信度等方面仍存在局限性。

在这个智能的时代，可穿戴技术可谓引领服装市场迈入了一个新的发展方向。随着现代人们个性化需求以及对生活品质的提升，未来可穿戴设备将在材料、实用价值以及数据的提取与防护等方面继续发展，本文以监测对象为出发点，对健康监测领域的可穿戴设备及技术进行研究，重在突出不同消费者对可穿戴设备的个性化需求，从而实现更高的应用价值，让更多的消费者受益。

1 监测对象及主要功能

目前各类可穿戴设备已逐渐出现在人们的视野甚至生活中。下面将以监测对象分类介绍其主要产品形态及功能现状。

1.1 老年监测

随着我国人民生活水平的提高以及人口老龄化的速度在不断加快，作为相对弱势的群体，其健康状况越来越引起社会大众的关注[3]。老年可穿戴健康监测设备如表1所示。目前国内市场上面向老年人健康监测的可穿戴产品主要有：智能手表/手环[4-5]、智能拐杖、3G定位吊坠[6]、电子血压计、可穿戴式智能心电图监护仪[7]、享睡智能纽扣、智能心率服、智能调温服等[8]。

表1 老年健康监测Tab.1 Health monitoring for elderly

1.2 儿童监测

儿童作为一个家庭和民族的希望，其健康问题不容忽视，为此大量研究人员针对儿童安全监测、姿势监测等方面进行了相关研究[9-10]，如表2所示。目前，国内市场上面向儿童健康监测的可穿戴产品主要有：智能手表/手环/腕带、可穿戴式婴幼儿测温计、可穿戴式儿童物理退热仪、可穿戴式蓝牙版脑波头带、云+智能眼镜等[11-12]。

表2 儿童健康监测Tab.2 Health monitoring for child

1.3 孕妇监测

相比老人和儿童来说，孕妇的健康监测主要体现在胎心宫缩监测方面。多普勒超声监测[13]应用多普勒原理监测胎儿心脏的运动，从而计算其胎心率；美国Mind Child公司开发的MERIDIAN[14]可穿戴胎儿心率监视器，可监测胎儿心率、孕妇心率以及子宫活动。使孕妇及胎儿的身体指标及健康状况得到及时有效的监测，避免意外事故的发生。目前，国内市场上面向孕妇健康监测的可穿戴产品主要是可穿戴式胎心监测设备、可穿戴式胎心胎动仪、防孕吐手环。

1.4 病人监测

病人的健康监测是这几类监测对象中最主要的一类，其研究主要包含术后监控与恢复、糖尿病监测、帕金森症患者引导3个方面[15-17]，如表3所示。目前，国内市场上面向病人健康监测的可穿戴产品主要有：智能防抖勺、便携式智能肺呼吸仪、智能袜子、助视器等[18]。

表3 病人健康监测Tab.3 Health monitoring for patient

2 相关技术应用

可穿戴技术为人体健康监测提供了许多安全有效的设备，而这些设备的运行与实现都依靠于各种可穿戴技术的应用，其中包括传感器技术、数据传输与处理技术以及信息反馈技术3个主要的方面。

2.1 传感器技术

传感器是用于人体感知和数据收集的设备，目前用于人体健康监测的传感器技术主要包括生物传感器、运动传感器和环境传感器3类。

2.1.1生物传感器

生物传感器通过提取具有感知作用的生物材料，将其转换为电信号进行检测。在人体健康监测中用于采集人体的生命体征信号，是人体生理指标的重要数据来源。PPG传感器[19]通过反射光来监测血流量和心脏跳动计算心率，目前广泛应用于个人、家庭及大规模人群的生理健康监测；用石墨烯制作的柔性力学传感器准确度达到医疗级，对血压实时监测；电化学生物传感器[20-21]实现非侵入式的葡萄糖检测设备，对血糖有控制与改善效果。

2.1.2运动传感器

运动传感器是通过获取人体的动作，将人体运动时所产生的加速度变化转化为电信号，反馈给计算机。运动处理传感器MPU6050[22]是集加速度计和陀螺仪于一体的三轴加速度传感器，在胸部监测人体的姿态信号，获取加速度特征值；MEMS惯性运动传感器用于对患者运动数据的采集[23]；NTMotion可穿戴传感器穿戴于患者小腿、大腿和腰背处，结合智能手机实现冻结步态的在线检测[24]。

2.1.3环境传感器

环境传感器主要用来感应周围环境的变化，通过敏感元件阻值的变化改变输出电信号的电压值。DHT11温湿度传感器包括1个电阻式感湿元件和 1个 NTC测温元件，功耗极低，信号传输距离可达 20 m以上[25]；气敏传感器主要应用于电子鼻技术[26]，对气味识别以及糖尿病监测有较大的贡献。

2.2 数据传输与处理技术

可穿戴设备得以运行的一项关键技术就是数据传输与处理技术，应用于可穿戴设备的电子平台有Arduino、STM32等，在可穿戴技术的人机交互方面发挥了重要的作用。

2.2.1Arduino平台

Arduino作为一种开源电子原型平台，具有IDE集成开发环境，用户可以通过USB接口直接进行编程和通信[27]。Arduino在国外已广泛应用到各类服饰化妆技术、LED信号灯、环境监测和电子艺术品开发等方面，是一种开放式的人机互动产品软硬件平台[28-29]。由此可见，Arduino可较好地应用到可穿戴技术中，通过其开放式特点进行个性化或者专业化的设计。

2.2.2STM32控制器

STM32是一款功能较全、成本较低、高性能、低功耗的微控制器应用产品，其在可穿戴技术、医疗电子、物联网、汽车电子以及无人机领域都有广泛的应用。其中STM32F429应用于人体运动监测中记步和手势控制以及心率监测；STM32L476医学级智能手表，结合脉搏波测量方案对人体血压、睡眠以及运动等进行监测。STM32F411可对中短途相对位置进行辅助定位，用于儿童安全定位监测。随着STM32的不断优化升级，其在人体健康监测领域将做出更多的贡献。

2.3 无线通信技术

作为可穿戴设备，为满足携带方便、穿脱方便、操作灵活、安全性高以及低功耗等特点，无线通信设备起到至关重要的作用。无线通信技术主要包括BLE、ZigBee、RFID、NFC等。

2.3.1BLE蓝牙低功耗技术

BLE蓝牙低功耗技术是使小型供电设备通过蓝牙无线链接及数据传输，并具备低功耗、低成本、控制范围广、使用灵活等特点。其应用于HID设备、智能家电设备以及医疗保健设备等，并在智能手环手表、可穿戴式脉搏血氧仪、心率带等可穿戴设备中为其提供了一个超低功耗的无线传输方案。

2.3.2ZigBee低速短距离通信

ZigBee是一种自组织低速短距离无线通信技术，由多个无线数据传输模块构成，且可进行相互通信，所以ZigBee不仅可以通过所连接的传感器直接进行数据的采集和监控，还可以接收到其他数传模块中的资料，大大提高了数据容量和传输效率。

2.3.3无线射频识别

无线射频识别(RFID)通信技术的原理是通过监测无线电信号对目标进行识别与数据读取。RFID具有小型多样化、可重复利用率较强、容量大、效率高等特点，可满足可穿戴设备重复利用率的问题，因此，RFID技术将在可穿戴设备中广泛应用。

2.3.4近场私密通信

近距离无线通信技术(NFC)可实现与设备之间自动而迅速、轻松而私密的通信，目前其主要应用于刷卡支付、门禁、带有个性化信息的NFC标签等，其特有的私密通讯方式正是可穿戴设备所需要的，因此，NFC技术与可穿戴技术相结合，提高健康监测数据的安全性及私密性。

2.4 信息反馈技术

信息反馈技术作为可穿戴设备与人体之间的通讯工具对监测状态起到及时的预防与治疗的作用，其主要包括预警和报警装置、LED、手机APP实时在线装置、短信求助装置、yeelink平台实时监测等，可以及时的将监测结果反馈给用户。目前应用较为广泛的则是与手机APP结合的实时在线反馈技术，但在老年人或病人等方面应用还存在缺陷。

3 可穿戴技术面临的问题

综上所述，当前可穿戴技术面临的问题主要有4点：1)目前市场上可穿戴设备种类繁多，但其监测性能、产品形态大同小异，许多研究成果都仅限于实验研究，而并未实际应用；2)大多数用于健康监测的可穿戴设备还局限在服装配饰中，对于老人、儿童、孕妇以及病人等群体在诸多情况下并不适合佩戴配饰，且配饰作为硬件物体在一定程度上都会对人体产生不舒适感，降低了监测的准确性；3)可穿戴设备多数需依附于智能手机等设备，给部分老年、儿童等的使用增加负担，增加电磁辐射总量；4)人们对于可穿戴设备的需求度及接受度还有待提高，大部分消费者对可穿戴设备还存有疑虑。

4 结束语

目前可穿戴技术的发展方向主要包括研究与实际相结合，设计更具特色的可穿戴监测设备；将服装作为监测的平台，设计开发柔性且满足监测对象舒适性需求的产品；从监测对象角度需增强加大可穿戴技术的功能性传播，加大设备的使用率以及效果反馈，从而改变消费者传统的思想观念；从监测设备角度应在其电源管理与附属电子产品的使用各方面进行改进，以低功耗、便捷实用性为原则对用户进行个性化设计；最后应在数据传输及信息反馈中加强信息的保密性，给用户提供一个更加健康、安全的监测环境。