智能可穿戴医疗设备及服装的特点、关键技术及应用

罗琳琳，龚霞辉

智能可穿戴医疗设备及服装的特点、关键技术及应用

罗琳琳，龚霞辉

(黎明职业大学 纺织鞋服工程学院，福建 泉州 362000)

针对社会老龄化及大众人群的“亚健康”现象，采用文献分析法，简述近年来国内外智能可穿戴医疗设备的研究成果与应用情况，总结智能可穿戴医疗设备的主要特点。对智能可穿戴医疗设备的关键技术进行归纳，并对产品进行分类，对智能可穿戴医疗设备的应用人群及应用场景进行分析。最后提出智能可穿戴医疗设备在技术领域、行业标准、安全隐私、实用功能等方面存在的不足及发展趋势。分析结果表明：适应市场及消费者需求的智能可穿戴医疗设备应该是时尚美观、微型化、无线化、标准化、产业化、安全可靠及智能的。

智能可穿戴；医疗设备；传感技术；大数据；应用场景；市场需求

随着社会老龄化人群的增加及社会压力的增大，“亚健康”普遍存在于大众人群中，而智能可穿戴技术的快速发展，各种智能可穿戴医疗设备应用到日常生活中。医疗是关系到民生的大问题，互联网经济的发展使医疗模式正在发生重大转变，海量数据覆盖了我们生活的方方面面，医疗领域将迎来新一轮的重大变革，尤其是智能可穿戴医疗设备的发展，为国民经济与全民健康的发展带来了新的可能。在发展的过程中，智能可穿戴医疗也面临着较大的阻碍与困难，例如缺乏公众信任度、价格昂贵、信息监测不准确等，主要原因是受限于目前整体技术的发展现状，但在不久的将来，智能可穿戴医疗将成为举足轻重的一项重要产业。新技术与健康领域的有效结合对于人类未来健康生活具有积极意义。

一、智能可穿戴医疗概述

（一）智能可穿戴医疗设备定义

智能可穿戴医疗是指将传感器等可测量生命体征的监测技术嵌入到人们日常穿戴的手环、手表、眼镜、服装、饰品等产品中，并能够实时监测人体血压、血糖、血氧、心率、体温、呼吸等各项生理指标，且可用于疾病治疗的一种新型可穿戴产品的总称[1-2]。

（二）智能可穿戴医疗设备特点

智能可穿戴医疗产品作为一种可用于人体穿戴的特殊产品，需具备微型化、集成化、可移动性、可持续性、低功耗、简单操作性、可交互性等七大特点。

（1）微型化。为了满足可穿戴的要求，智能可穿戴医疗设备应该具有舒适性、微型化的特点，因此敏感元件的使用一般为微米级，例如，已经得到应用的盐粒大小的血压计[3]。

（2）集成化。单一功能难以满足消费者的需求，功能集成化是可穿戴医疗产品必备的特点。

（3）可移动性。人体是一个不断移动的整体，固定的医疗设备难以随时随地对人体状况进行检测，可移动性决定了检测的连续性，从而能够有效预防突发疾病，并进行有效治疗。

（4）可持续性。持续监测对突发性病人的监测十分重要。但由于监测技术本身的限制，目前一些重要生理数据的连续监测技术仍在发展中，无创监测技术的出现能够对血压、血糖等生理指标进行连续监测[4]。

（5）低功耗。持续性监测要求持续的能源供应，低功耗在检测类软硬件体积不变的前提下可有效延长检测时间。

（6）简单操作性。可穿戴医疗产品面向大众消费群体，操作简单才能为大众普遍接受，尤其是对于接收新事物比较困难的老年人来讲。

（7）可交互性。可穿戴医疗产品不仅可以随时监测人体生理数据，还可以将通过显示仪器将数据显示出来，从而进行监测和分析，这一点是非常重要的。

二、智能可穿戴医疗设备的关键技术

运用在智能可穿戴医疗设备中的关键技术包括传感技术、可穿戴材料技术、数据采集与存储技术、无线体域网络技术、信息融合技术等。

（一）传感技术

运用在可穿戴医学领域中的传感器可分为三类：生物医学传感器，运动传感器。传感器在服装中的分布主要为胸部、袖口、腰部和腿部等。

（1）生物医学传感技术。生物电传感技术、人体物理传感技术在生物医学传感技术中的应用最为广泛[5]。生物电传感技术主要用于测量心电、脑电等各种生物电信号，人体物理传感器主要用于测量体温、血压、呼吸等生理参数[6]。

（2）运动传感器。三维加速度传感器和倾角传感器在运动检测中运用较多，主要用于监测人体上下肢的运动状态，包括人体平衡检测，身体跌倒检测等。例如老年人突然发生昏迷并摔倒时，运动传感器制作的可穿戴医疗设备可进行实时监测，并发出警报信号，从而及时对老年人进行救助。

（二）可穿戴材料技术

柔性可穿戴电子的发展开启了智能可穿戴领域的新篇章，目前有多种用于可穿戴医疗领域的有机、无机及介电材料的开发，碳纳米管、纳米铝、纳米银线是目前运用较多的无机纳米材料。

印刷技术在柔性可穿戴电子领域中的研究属于热门话题，如印刷柔性发光器件、印刷柔性电路、印刷柔性光伏等技术的研究在智能可穿戴医疗设备领域中具有一定发展潜力。例如美国加州理工学院研制的硅柔性皮肤。相关的技术还有编织、刺绣等技术，即将电极和柔性传感器等材料织入服装，或运用刺绣的方法嵌入织物或配饰中，使病患能够随时穿着，并有效监测穿着者的生理数据[7-8]。

（三）数据采集与存储技术

数据采集与存储是指通过传感等智能元件对外界信息进行获取，并进行处理、分类、加工、存储并显示的系统和方法[9-10]。数据采集与处理技术主要用于航空航天领域，采集测量航天员的生理数据，如航天员的呼吸、心电波形等。可持续的电量存储是数据有效采集与处理的前提，锂电池是运用较多储能物质，但是要提高锂电池的续航能力，就得增大自身体积，不利于可穿戴设备的发展，目前正在开发其它存储方式，如环境中的太阳能、机械能和热能，人体日常活动中的机械能等。

三、智能可穿戴医疗的分类

智能可穿戴医疗设备一般按照生理数据监测、诊断、预防、康复治疗、佩戴方式、连续性采集、按时采集和需要时采集进行分类[11]。智能可穿戴医疗设备根据采集数据类型可分为生理数据、心理数据、物理数据、生化数据、影像数据采集等。图1为目前已有智能可穿戴医疗设备与服装。具体分类形式如表1所示。

图1 智能可穿戴医疗设备与服装

表1 智能可穿戴医疗设备的分类

四、智能可穿戴医疗设备的应用

智能可穿戴医疗主要应用在老年监护、婴幼儿监护、孕妇监护、残疾人群监护、急慢性病监护、一般人群监护等多个场景中。图2为2019世界物联网博览会中的智能可穿戴医疗设备，为中国移动5G产品，可用于社区场景的监护。

图2 2019世界物联网博览会中的智能可穿戴医疗设备

（一）老年监护

中国是世界上唯一一个老年人超过1亿的国家，老年人群中存在各种疾病，例如高血压、心脑血管疾病，且摔倒后容易引起并发症[13]。老龄化趋势明显，紧缺的医疗资源及分布不均衡难以满足老年人群的日常监护，智能可穿戴医疗设备的发展对于解决老年人日常监护问题具有一定作用，例如随身血压仪，睡眠监测仪等，一般需要连接智能手机，并下载相应医疗软件，操作复杂，老年人不容易掌握方法。

（二）孕婴监护

孕妇监护主要表现在两方面：一是对自身的各项生理数据进行检测，预测孕妇分娩期；二是对胎儿情况进行实时监测。孕妇作为特殊人群，定期去医院排队时间较长，如：广东省一家妇幼保健医院研发了一套智能可穿戴医疗设备，在家即可监测胎心、血糖、血压、脉搏、心电等孕期基本数据；Compass Pregnancy Monitor是一款家庭用医疗产品只需要将设备放在腹部，孕妇就可以简单、准确的判断胎儿的健康情况[14]。

婴幼儿是指0-3岁的儿童，婴幼儿因年龄问题表达能力及自我保护意识较差，自身免疫系统尚未完善，目前市场上用于婴幼儿的可穿戴医疗设备多为手环、脚环、衣服、尿不湿等[15]。

（三）残疾人群监护

可穿戴医疗设备在残疾人群中的应用旨在帮助残疾人生活自理，减轻看护人的压力及社会。但是将可穿戴医疗设备与人体高度衔接，并达到正常人的水平是非常困难的，现在仍处于研究阶段。例如Huge Herr所研究的仿生假肢，辅助残疾人自理的可穿戴外骨骼等。

（四）急慢性病患者监护

随着社会工作及生活方式的转变，饮食和运动方式都有所转变，各种急慢性病发生概率大幅度增加。慢性疾病例如脑血管疾病、呼吸类哮喘病、慢性贫血症等若不进行及时监测和治疗，可能会引发大问题。心脏病的发生带有突发性、随机性，许多患者由于未能及时进行监测和救治，导致病情恶化，甚至死亡。因此，开发相应的可穿戴医疗设备对于急慢性病的监护至关重要。在慢性疾病的管理中，通过可穿戴医疗设备可以在家庭中时刻检测糖尿病、心脏病、哮喘、肺病等各类慢性病，如EU CHRONIUS项目开发了一种智能T恤监测慢性肾病和慢性阻塞肺病[16]；日本Sano Intelligence公司开发了一种智能一次性传感器芯片，贴在人体皮肤上可连续检测血液参数7天[17]。

急慢性病的监护主要用于以下三个场景:

（1）用于研究的不定期监测，主要是可以在家庭中进行特定时间的生理数据监测，如CORVENTIS开发了一种称为NUVANT的“智能创可贴”，可以测量心率、体温、呼吸速率等，并可以连接蓝牙无线，用于传输数据到监测中心[18]。

（2）活动和行为的监测，通过这一应用可以来识别疾病的早期症状，例如老年痴呆或者糖尿病。

（3）用于生物力学康复。通常用于监测术后恢复及康复计划中病人的表现监测等，如加拿大公司开发的Smart Step是一个戴在脚踝的可穿戴设备，它可以为患者提供正确的恢复知道，可用于中风康复和帕金森症的康复。

（五）一般人群监护

可穿戴医疗设备可以采集大量的数据，并且根据数据分析预防潜在疾病的发生，帮助一般人群更健康的生活，可以有效降低医疗成本，对于社会疾病的控制、人们生活质量的提高意义重大。

五、现状与发展趋势分析

医疗领域的可穿戴产品可以说是最受青睐的，近年来，各大海外巨头均加入了智能可穿戴医疗设备研究的大军，国内同样引起高潮，公众关注度、需求度较高。但智能可穿戴医疗设备由于各种原因依旧存在很多问题，随着“健康中国”的建设全面启动，智能可穿戴医疗设备有望突破瓶颈进入快速发展期[19]。

（一）现状与问题

智能可穿戴医疗设备作为医疗健康领域的新生类产品，在技术领域、行业标准、安全隐私、功能等方面存在不足，主要有以下几类问题。

（1）存在技术瓶颈。目前的智能可穿戴医疗设备所存在的技术问题主要是续航、数据采集的准确性与稳定性等问题。能量存储量一般与自身体积称正比，而可穿戴医疗设备需要续航持久与微型化共存，但数据采集在微型与持久性集成化时往往又影响功能的使用。

（2）缺乏行业标准。目前的医疗环境大而复杂，且产品多种多样，并且可穿戴医疗设备的应用并不广泛，因此很难建立统一的行业标准。

（3）隐私及安全隐患。数据隐私及安全问题自可穿戴医疗设备发展以来备受关注。智能可穿戴医疗设备在介质上多使用无线传输技术，安全程度较低，且格式多样化，不统一，互操作难度高，转化过程无障碍。规模巨大，隐私内容较多，控制困难，且目前没有统一的隐私标准，各个环节的隐私保护也较差，因此较传统医疗设备更容易导致数据被窃取，并应用于一些非法的交易中。目前保护隐私及安全问题行知有效的方法是通过加强道德规范、法律保护的形式实现，另外对于一些网络及信息的访问可以进行加密或权限控制，以防止消费者信息被暴露。

（4）缺乏传感器网络系统。可穿戴医疗产品目前多涉及到传感器的使用，由于传感网络系统的缺乏，传感器之间难以互通，因此可穿戴医疗类产品功能较单一，使用范围较小，限制了智能可穿戴医疗设备的发展。

（5）质量问题。目前的可穿戴医疗产品品种较多，种类杂乱，且对于生产材料、技术方面并没有统一行业标准，因此存在辐射、材料安全性不达标等问题。

（6）价格较高。价格是决定消费的因素之一，而目前的智能可穿戴医疗设备价格普遍高，性价比又比较低，因此可用于推广的条件不够充分。

（7）公众信任。由于智能可穿戴产品目前应用的并不广泛，再加上各种负面新闻的报道，因此还没有为用户建立起公众信任的用户体验。

（二）发展趋势分析

通过智能可穿戴医疗设备的不足分析可以发现，适应市场及消费者需求的智能可穿戴医疗产品应该是时尚美观、微型化、无线化、标准化、产业化、安全可靠及智能的。

（1）时尚美观化。目前的智能可穿戴医疗设备往往注重功能的实施，在时尚美观方面相对有所欠缺，未来的智能可穿戴医疗产品将更加时尚化、美观化。

（2）低功耗、微型化、柔性化。目前智能可穿戴医疗系统耗电量较大，而相关技术有所欠缺，随着纳米材料及柔性传感器的不断开发，低功耗、微型化、柔软化成为一种必然趋势。

（3）无线化。无线化可减少可穿戴医疗装置的体积，人体穿着时会更加舒适，符合“一人为本”的理念。

（4）数据传输协议标准化。可穿戴医疗设备在与其它智能设备进行数据交互传输时缺乏统一标准，只有统一兼容的数据传输协议才能实现数据更好、更快的传输。

（5）信息技术安全化。可靠、安全的可穿戴医疗设备才能建立公众信任，在拓宽使用范围后才能发现并解决更多潜在的问题。

（6）产业化。产业化是可穿戴医疗设备成熟的必然趋势，只有在医院、技术、数据等方面都相对成熟后，可穿戴医疗设备才能普遍被接受，从而实现产业化。

六、结语

智能穿戴医疗设备属于融合了医疗与智能可穿戴的新兴产物，旨在开发一种全新智能的医疗健康方式，并且能够随时随地监测人体状况，弥补我国老龄化、医疗资源缺乏且分布不均的现状，但由于技术、能源等问题，智能可穿戴医疗设备目前仍处于初级阶段，随着新技术、新能源的不断发展，智能可穿戴医疗产品在不久的将来会产生重大突破，集时尚美观、微型、柔软、安全可靠等性能于一身，希望能成为一项改变人类医疗健康方式的新技术，并实现产业化，为大众普遍接受，从而为我国的医疗健康事业做出更多贡献。

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Features, Key Technologies and Applications of Smart Wearable Medical Devices and Clothing

LUO Lin-lin, GONG Xia-hui

(School of Textile and Footwear, Liming Vocational University, Quanzhou fujian 362000, China)

In view of the aging of the society and the “sub-health” phenomenon of the masses, this paper introduces the research results and application of smart wearable medical care at home and abroad in recent years, and summarizes the main features and architecture of smart wearable medical care.. The application of Smart wearable medical and the application of the scene were analyzed. The paper analyzes the shortcomings and development trend of Smart wearable medical in technical field, industry standard, safety privacy and function. The analysis results show that the Smart wearable medical which can meet the needs of the market and consumers should be fashionable and beautiful, Wireless, standardization, industrialization, safe, reliable and intelligent.

Smart wearable; medical; sensing technology; large data; application scenarios; market demand

罗琳琳（1990-），女，助教，硕士，研究方向：服装设计与工程.

TP391

A

2095－414X(2020)03－0040－06