可穿戴智能系统在医学中的现状及未来挑战

胡兰 郑宽 刘亚侠

摘 要：在健康监测智能穿戴系统（SWS）的研究和开发方面，学术界和产业界都做出了广泛的努力，SWS的持续发展受到了医疗成本飙升的影响，通过微纳米技术、传感器微型化和智能织物技术的支持，以及对患者健康状况的持续监控，SWS的持续发展将逐步改变医疗领域的格局，这些系统由各种组件和设备组成，从传感器和执行器到多媒体设备，既支持复杂的医疗应用程序，又支持低成本的可穿戴、非侵入性替代方案，可在室内和室外连续24小时监控健康、活动、移动和精神状况。对可穿戴设备现状的研究，为医学研究人员提供了参考，为未来的相关研究提供了展望。

关键词：智能;可穿戴系统;医学

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0233-02

0 引言

学术界和产业界对智能可穿戴系统的研究和开发力度不断加大，可穿戴智能系统是新型的纺织材料与电子技术相结合的产物，可根据设计的意图实现一些特殊的功能，例如传送信息、自动变色、自动调温等。智能系统最早应用在军事、航空、消防、潜水等特殊领域，但随着智能化的发展以及社会竞争的日益加剧，嗅觉灵敏的商家们开始转向可穿戴智能系统的设计开发方面，美国、德国、日本等发达国家的技术已经相当成熟，设计应用的领域也非常广泛[1]。世界人口正在老龄化，老年人由于与年龄有关的疾病导致的残疾程度更高，需要更多的护理和帮助，更有可能被送入医院或养老院。长期入住养老院是一种昂贵的养老方式，大多数老年人更愿意呆在自己的家中。医生可以根据传输的数据对患者进行管理，一种日益需要的可穿戴系统是一种智能医疗监控设备，能够为医护人员、患者、运动员和健康受试者提供实时处理和反馈。受试者可以在日常生活中佩戴该设备，而医疗专业人员则可以在患者去医院途中或去找医生办公室更长的时间内实时监控。然而，要全面实现智能可穿戴系统的使用还必须克服一些障碍，包括高成本、尺寸、重量、能耗、传感器的实现和连接、隐私、自由、可靠性、安全性和服务等一系列问题[2，3]。

1 可穿戴系统的当前特点

可穿戴系统包括各种类型的微型可穿戴、可植入体内传感器。这些生物传感器可以测量身体和皮肤的温度、心率、心电图、脑电图、肌电图等生理参数，智能设备可以提供实时处理。通过无线身体通信网络传输的数据使医疗保健提供者能够对患者进行监控，一旦发生危险，医疗保健系统就可以发出警报，例如：当一个独居的人中风时，中风一发作就可以派救护车。该系统能够监测老年人、残疾人、慢性病患者以及有特殊需要的伤者并及时发出求救信号。

2 国内外一些智能可穿戴系统

My Heart是在欧盟委员会研究项目框架内开发的个人健康智能系统。该系统旨在发现早期房颤，使预防和药物治疗成为可能。传感模块可以集成到衣服中，也可以简单地嵌入到衣服里。其基本材料是使用像普通纱线一样编织的微小导电导线，这增加了可穿戴系统的舒适性。整个系统传感器不需要无线模块，系统依靠集中的可穿戴电源，一个主设备控制着服装上的总线，负责所有可穿戴部件的同步和供电，柔性智能纺织品与其基础纤维科学可被界定为可穿戴技术的未来发展闪光点[4]，相关的软件也已经被开发出来，活动分为休息、躺下、行走、跑步和上下楼梯等，并且具有很高的准确性。“我的心脏”项目也开发出了“心脏带”，可以穿在胸前，也可以系在标准胸罩或标准内衣的腰带上。

意大利米兰也开发了一项神奇的项目，一款可清洗的感应背心，内置全编织的纺织传感器，用于监测心电图和呼吸速率，该系统可以为家中的老年人或心脏病患者进行日常生活HM的皮肤温度测量，该系统还能够识别房颤发作和房室异位搏动等[5]。

澳大利亚悉尼的新南威尔士大学开发了一个基于MicaZ mote的平台，本项目研究了在连续HM中使用动态无线电发射功率控制来延长穿戴式传感器设备寿命的机遇和挑战。弩科技公司的MicaZ motes已经用绑在病人胸部的装置进行了测试，模拟心跳和心电图的监测，该系统展示了自适应无线电发射功率控制作为一种节能手段以及在医疗用可穿戴传感器设备中的潜在优势和局限性[6]，如图1所示。

術后恢复的患者由于术后疼痛并导致活动能力下降，同时有发生并发症的危险，对这些患者的持续监控鼓励了学术界对无线医疗监控解决方案的研究，从而实现无线医院的愿景。病人站由一个尘粒装置组成，它从记录生命体征（如心电图、呼吸和活动水平）的传感器接收数据，接收到的信号被发送到中央服务器进行分析，并为医疗专业人员、护理人员和急诊医务人员生成警报[7]。

九十年代，人口监测系统的一个重要特点是利用监测系统和嵌入在老年人家中的电子设备研究老年人的行为和活动。监测系统的开发是基于一个家庭环境，在这个环境中传感器收集关于人类活动的时空信息。当受试者独自在家时，这种监督系统就会起作用，但是当公寓或环境的走廊、客厅中出现多人时，持续的数据采集就会被破坏或中断。在新的项目（Home-care和BeA）中，选择了可穿戴识别和定位系统，以确保数据的连续采集，从而可以实现对老年人的24小时监控。慢性精神压力被认为是心血管疾病的危险因素，因此，它可以被认为是决定一个人的健康和自尊的一个因素。

3 可穿戴系统的当前问题

3.1 有效性

在医疗问题和治疗效果方面，有一些证据表明使用可穿戴健康监测系统（WHMS）进行远程监控，对每个患者的健康状况进行更密切的监控，以及对患者健康恶化的预警信号进行早期检测。研究表明，WHMS广泛应用，不但更好地控制血糖、哮喘和血压，而且实现医院、社区、家庭与个人相结合的一种有效方式，是缓解人们对健康监测需求与医疗资源有限的有效途径。

3.2 互操作性

可穿戴医疗设备，如血压监测仪、血糖仪、脉搏血氧仪、心电图监测仪和可植入心血管电子设备对医疗保健是必不可少的。如果临床软件应用程序能够无缝地收集医疗数据，人们对这些设备的兴趣将会大大增加。一些可穿戴原型已经开始使用PHMR标准草案来存储和传输培训数据给卫生专业人员，并最大化与他们的信息系统的互操作性[8]。

3.3 医疗、健康、生活质量的好处

智能生物医学服装的使用可以通过长期趋势分析预测疾病的急性期，从而降低心脏病的发病率，虽然可能无法检测到短暂的事件，但可以克服不經常的临床访问，可以预测危险的未来事件。通过长期趋势分析进行早期诊断可以降低疾病的潜在严重程度，向卫生保健专业人员发出警报，并通过远程诊断和远程治疗减少干预时间，老年人不但可以安全地呆在家里而且身体康复也可以得到保证和支持，医疗费用也比住在医院、机构或养老院的费用要低。

4 挑战与未来展望

为了充分认识到智能可穿戴技术的健康益处，研究人员和供应商必须通过研究用户需求然后开发一种全面的健康服务方法，而不是只监测单一疾病的设备和应用程序，与此同时，研究人员和提供者必须利用各种各样的资源，从传统的卫生提供者向与用户密切接触的商业提供者提供卫生服务。无线、电话和有线电视供应商以及其他通信公司可以提供接入家庭的服务收费（例如：社会警报、HM或其他远程护理服务）。将可穿戴系统和设备集成到家居舒适和健康的智能家居服务架构中，无疑是保持和促进研发的关键解决方案之一。

5 结语

随着新材料的发展，植入可穿戴设备来替代有缺陷的器官越来越普遍。可穿戴系统的设备、WSN标准、应用程序的范围广泛且不同，需要大量的研究人员、开发人员和广大用户。由于其跨学科性质，许多与卫生保健相关的应用将生物医学工程和医学信息学结合起来，医学、社会科学、心理学、经济学、伦理学和法学等领域的其他知识必须加以考虑，融入可穿戴医疗系统的开发和研究。未来几十年最重要的挑战是智能信号处理、数据分析和解释、通信标准互操作性、电子元件效率以及能源供应发展等方面。

参考文献

[1] 单毓馥，王玉秀.服装未来的发展趋势——智能服装[J].上海纺织科技，2005（12）：29-31.

[2] Kluge E H W.Ethical and legal challenges for health telematics in a global world： Telehealth and the technological imperative[J].International Journal of Medical Informatics，2011，80（2）：1-5.

[3] Brey P.Freedom and Privacy in Ambient Intelligence[J].Ethics and Information Technology，2005，7（3）：157-166.

[4] 杨晨啸，李鹂.柔性智能纺织品与功能纤维的融合[J].纺织学报，2018，39（05）：160-169.

[5] Rienzo D，Rizzo，Meriggi，et al.MagIC：a Textile System for Vital Signs Monitoring.Advancement in Design and Embedded Intelligence for Daily Life Applications[C]//International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society.IEEE，2007.

[6] Xiao S，Dhamdhere A，Sivaraman V，et al.Transmission Power Control in Body Area Sensor Networks for Healthcare Monitoring[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2009，27（1）：37-48.

[7] Oliver N，Flores-Mangas F.HealthGear：a real-time wearable system for monitoring and analyzing physiological signals[C]// International Workshop on Wearable & Implantable Body Sensor Networks.IEEE，2006.

[8] Helmer A，Song B， Ludwig W，et al.[IEEE 4th International ICST Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare-Munchen，Germany （2010.03.22-2010.03.25）]Proceedings of the 4th International ICST Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare-A sensor-enhanced health information system to support automatically controlled exercise training of COPD patients[J].2010.