生理监测智能穿戴装置的应用研究

王 娟

（江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013）

0 引言

随着国家经济的发展和人们生活方式的变化，居民不健康生活方式日益突出，易导致心血管疾病的各种危险因素对居民健康的影响更加显著，患有心血管疾病的人数仍在增加。目前，心血管疾病是城乡居民死亡的主要原因[1]。截至2020年，我国60岁及以上老年人总数达2.55亿人，占我国总人口数量的17.8%。随着工作岗位竞争的加剧、人们的快节奏生活，使得年轻一辈的学习压力、思想压力、工作压力也随之越来越大，年轻人群中呈现出一片亚健康状态，但是许多年轻患者对自身的亚健康状态没有足够重视甚至是忽视。

有部分群体购买一些生理监测的可穿戴医疗产品，这类产品能实时记录生理数据、及时监测自身的身体状况，生理监测智能穿戴装置应运而生。

1 生理监测智能穿戴装置的定义

生理监测智能穿戴装置通常由传感器、信号采集与处理、数据通信等模块通过一定的工艺技术将这些模块集成安装于便携式日常可穿戴物件中。它利用贴身穿戴或植入人体的科技产品，使用生物传感技术对人体温度、血压、脑电图、心电等生理指标进行监测，将采集得到的数据通过无线通信传输到移动终端或云端，再通过对这些数据进行详尽分析，最终形成个体独特的医学数据信息，医生可以根据这些医学数据为个人用户制订更准确的治疗方案[2]。

2 生理监测智能穿戴装置的特点

生理监测智能穿戴装置作为一种可供大众使用的特殊可穿戴设备，对其提出了四大方面的要求，其中包括可穿戴性、简单操作性、智能移动性、人机交互性。

（1）可穿戴性。生理监测智能穿戴装置应具有较好的舒适性和体积微型化的特点。用户长时间“穿戴”，不能引起用户的强烈不适[3]。

（2）简单操作性。生理监测智能穿戴装置的操作性能有简单化、简洁化的要求，这样才能被大众广泛接受。

（3）智能移动性。生理监测智能穿戴装置必须具有可移动性、可持续性、低功耗，长期有效地采集数据，并最终传输到移动终端和网络云端。

（4）人机交互性。生理监测智能穿戴装置不仅可以随时监测人体的生理数据，还可以显示数据，达到人机交互的目的[4]。

3 生理监测智能穿戴装置的分类

近年来，微电子技术、传感器技术、芯片制造技术、自动化技术、新材料研究等技术得到了迅速发展，带动了可穿戴技术的飞速发展，在市场上出现了很多医疗、健身等领域相关产品。

穿戴式生理信号监测一般分为运动健康监测与疾病监测两大类。运动健康类产品，顾名思义就是测量人的运动状况，通常表现为手环、手表等形式，用户通过佩戴产品可监测心率、睡眠质量、运动量等。疾病监测产品主要对患者生理参数进行实时监测，尤其是慢性病患者，以便提供更加及时、有效的治疗。目前部分穿戴产品除了可以监测心电图、脑电图、血压等生理信号外，还具有跌倒报警、久坐提醒等附加功能[5]。

因此，生理监测智能穿戴装置可以引导人们更健康地生活，能帮助人们提高生活质量，提前监测甚至预测疾病的发生，不但可以缓解医院医疗资源短缺的问题，同时也缓解了人们“看病难”等问题。

4 关键技术

生理监测智能穿戴装置的设计重点主要集中在：可穿戴装置的舒适性与便携性，减少了对用户日常生活的干扰，可以对各种数据进行自然监测；生理信号采集系统必须具有微型化、功耗低、抗干扰能力强等特点。其关键技术包括穿戴装置的制作材料、传感技术、低功率损耗、数据采集与存储技术、信息处理与融合技术、数据通信和软件应用等[6]。

4.1 低功耗

低功耗是智能穿戴装置内部传感器部件的核心要求。装置的能量消耗主要发生在传感器、数据分析以及无线通信三方面，其中最大的系统能耗为无线通信。在连续采集用户生理信号的过程中，无线通信传输的信号能量能占到节点总能量的65%。因此，采取降低无线通信的能量消耗的方法，就可以大大地提高节点的能量效率。

4.2 传感技术

用户的生理信号通常由电极或传感器采集，传感器将被测信息转换成电信号或其他类型的信号。根据被测信号的类型，智能穿戴装置中的传感器通常为连续时变生理信号传感器、离散生理信号传感器两种。连续时变生理信号传感器，需要连续不断地传输大量的数据，如人体脉搏、心电图等；而离散生理信号传感器，一般传输的是血糖、血压、血氧等数据。生理监测装置内部的传感器不仅要考虑其尺寸、重量，还要考虑其数据的精准性。

4.3 数据采集与存储技术

数据采集与存储技术是指通过传感器等智能部件去获取外界相关各类信息，对获取到的各种信息进行处理、存储并呈现给用户的方法。比如，可以通过测量用户的心跳、脉搏等生理数据，然后以心电图的形式显示出来。

4.4 信号处理和信息融合技术

对信号进行有效处理是智能穿戴装置中非常重要的一环。信号处理和信息融合是信息提取的关键技术。常用的方法主要通过信号预处理、特征提取还有模式分类这几个步骤来完成。首先采用信号预处理增强有用信号，其次利用特征提取将数据转换成具有不同特性的可区分的特征向量，再次利用模式分类对经过特征提取后的特征向量进行更高层次的信息抽象，这个步骤一般通过建立分类模型，实现特征向量到类型的映射或回归，以此达到信息处理与融合的目的。

4.5 数据通信和软件融合

为了实现用户生理监测信号的医疗处理，除了采集处理、处理数据之外，还需将数据传输到建立链接的医疗中心等节点。随着互联网的发展，生理监测智能穿戴装置利用网络就可以足不出户地远程传输数据，而医生或用户家属可随时监控用户的实时个人生理数据，确保数据异常时，能进行及时有效的处理。

5 存在的问题

目前，生理监测智能穿戴装置是医疗健康产品领域内研究的一大热门，但其在相关的准确性、安全隐私、行业监管、功能等方面仍有一些不足[7]。

5.1 准确性度不高

目前由于穿戴式设备的小型化和方便携带的特性，传感器的选择范围就受到限制，测量到的信号通常准确度不高，因此生理监测穿戴装置仍不能替代医用级的医疗设备。怎样提高生理信号测量精度方法是目前可穿戴装置面临的困境。

5.2 隐私泄露

自可穿戴医疗装置面世以来，数据隐秘性和安全性等问题一直都是专家们关注的要点。智能穿戴装置大多利用无线网络传输信息，信息传输的安全性比较低、信息处理形式不统一、多样化、相互操作性难度较大等各种问题。这使得可穿戴装置的数据与传统医疗设备相比，更容易被窃取，并应用于一些非法的交易中。

5.3 行业监管不力

目前，医疗类产品琳琅满目，可穿戴医疗装置的使用群体并没有普及，国内可穿戴医疗市场秩序稍显混乱，市场对这类产品没有统一的标准，难以对其进行有利的监管，最终致使市场上的可穿戴医疗装置质量参差不齐，存在以次充好的现象。目前，绝大多数智能穿戴医疗装置没有获得医疗器械许可证，没有标准去比对、校正其采集的数据，也就无法定义这些数据是否真的具有医疗价值，最终也就无法对临床诊断提供帮助[8]。

5.4 产品同质化严重

目前国内外学者针对生理监测智能穿戴装置的研究重点主要集中在人体心电、脉搏、血压、运动等方面，缺少对人体其他生理参数的研究，导致研究成果和市场上的产品同质化比较严重、技术方面突破性低。此外，市面上的大多生理监测穿戴医疗装置只是简单对生理信号进行处理与分析，难以挖掘出更多有用的医疗信息。

6 结语

中国作为世界人口大国，人口占世界总数的20%，但国内的医疗卫生资源仅仅只占了世界2%，医疗资源分布的不均衡性以及城乡医疗服务水平存在悬殊较大等问题都促使医疗机构向信息化以及智能化的方向发展。

生理监测智能穿戴装置的宗旨就是计划开发符合社会经济发展的、全新的、智能型的医疗保健方式，用户可以随时监测个人生理参数，这样可以弥补我国老龄化、医疗资源分布不均的现状[9]。随着技术的进步，能源的开拓发展，相信生理监测智能穿戴装置在技术层面上会突破瓶颈，成为改写人类医疗与保健方式的新技术，最终实现产业化，为广大的消费大众广泛接受，从而为我国的智慧医疗建设添砖加瓦[10]。