生理監測智能穿戴裝置的應用研究

王 娟

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引言

隨著國家經濟的發展和人們生活方式的變化，居民不健康生活方式日益突出，易導致心血管疾病的各種危險因素對居民健康的影響更加顯著，患有心血管疾病的人數仍在增加。目前，心血管疾病是城鄉居民死亡的主要原因[1]。截至2020年，我國60歲及以上老年人總數達2.55億人，占我國總人口數量的17.8%。隨著工作崗位競爭的加劇、人們的快節奏生活，使得年輕一輩的學習壓力、思想壓力、工作壓力也隨之越來越大，年輕人群中呈現出一片亞健康狀態，但是許多年輕患者對自身的亞健康狀態沒有足夠重視甚至是忽視。

有部分群體購買一些生理監測的可穿戴醫療產品，這類產品能實時記錄生理數據、及時監測自身的身體狀況，生理監測智能穿戴裝置應運而生。

1 生理監測智能穿戴裝置的定義

生理監測智能穿戴裝置通常由傳感器、信號采集與處理、數據通信等模塊通過一定的工藝技術將這些模塊集成安裝于便攜式日?？纱┐魑锛?。它利用貼身穿戴或植入人體的科技產品，使用生物傳感技術對人體溫度、血壓、腦電圖、心電等生理指標進行監測，將采集得到的數據通過無線通信傳輸到移動終端或云端，再通過對這些數據進行詳盡分析，最終形成個體獨特的醫學數據信息，醫生可以根據這些醫學數據為個人用戶制訂更準確的治療方案[2]。

2 生理監測智能穿戴裝置的特點

生理監測智能穿戴裝置作為一種可供大眾使用的特殊可穿戴設備，對其提出了四大方面的要求，其中包括可穿戴性、簡單操作性、智能移動性、人機交互性。

（1）可穿戴性。生理監測智能穿戴裝置應具有較好的舒適性和體積微型化的特點。用戶長時間“穿戴”，不能引起用戶的強烈不適[3]。

（2）簡單操作性。生理監測智能穿戴裝置的操作性能有簡單化、簡潔化的要求，這樣才能被大眾廣泛接受。

（3）智能移動性。生理監測智能穿戴裝置必須具有可移動性、可持續性、低功耗，長期有效地采集數據，并最終傳輸到移動終端和網絡云端。

（4）人機交互性。生理監測智能穿戴裝置不僅可以隨時監測人體的生理數據，還可以顯示數據，達到人機交互的目的[4]。

3 生理監測智能穿戴裝置的分類

近年來，微電子技術、傳感器技術、芯片制造技術、自動化技術、新材料研究等技術得到了迅速發展，帶動了可穿戴技術的飛速發展，在市場上出現了很多醫療、健身等領域相關產品。

穿戴式生理信號監測一般分為運動健康監測與疾病監測兩大類。運動健康類產品，顧名思義就是測量人的運動狀況，通常表現為手環、手表等形式，用戶通過佩戴產品可監測心率、睡眠質量、運動量等。疾病監測產品主要對患者生理參數進行實時監測，尤其是慢性病患者，以便提供更加及時、有效的治療。目前部分穿戴產品除了可以監測心電圖、腦電圖、血壓等生理信號外，還具有跌倒報警、久坐提醒等附加功能[5]。

因此，生理監測智能穿戴裝置可以引導人們更健康地生活，能幫助人們提高生活質量，提前監測甚至預測疾病的發生，不但可以緩解醫院醫療資源短缺的問題，同時也緩解了人們“看病難”等問題。

4 關鍵技術

生理監測智能穿戴裝置的設計重點主要集中在：可穿戴裝置的舒適性與便攜性，減少了對用戶日常生活的干擾，可以對各種數據進行自然監測；生理信號采集系統必須具有微型化、功耗低、抗干擾能力強等特點。其關鍵技術包括穿戴裝置的制作材料、傳感技術、低功率損耗、數據采集與存儲技術、信息處理與融合技術、數據通信和軟件應用等[6]。

4.1 低功耗

低功耗是智能穿戴裝置內部傳感器部件的核心要求。裝置的能量消耗主要發生在傳感器、數據分析以及無線通信三方面，其中最大的系統能耗為無線通信。在連續采集用戶生理信號的過程中，無線通信傳輸的信號能量能占到節點總能量的65%。因此，采取降低無線通信的能量消耗的方法，就可以大大地提高節點的能量效率。

4.2 傳感技術

用戶的生理信號通常由電極或傳感器采集，傳感器將被測信息轉換成電信號或其他類型的信號。根據被測信號的類型，智能穿戴裝置中的傳感器通常為連續時變生理信號傳感器、離散生理信號傳感器兩種。連續時變生理信號傳感器，需要連續不斷地傳輸大量的數據，如人體脈搏、心電圖等；而離散生理信號傳感器，一般傳輸的是血糖、血壓、血氧等數據。生理監測裝置內部的傳感器不僅要考慮其尺寸、重量，還要考慮其數據的精準性。

4.3 數據采集與存儲技術

數據采集與存儲技術是指通過傳感器等智能部件去獲取外界相關各類信息，對獲取到的各種信息進行處理、存儲并呈現給用戶的方法。比如，可以通過測量用戶的心跳、脈搏等生理數據，然后以心電圖的形式顯示出來。

4.4 信號處理和信息融合技術

對信號進行有效處理是智能穿戴裝置中非常重要的一環。信號處理和信息融合是信息提取的關鍵技術。常用的方法主要通過信號預處理、特征提取還有模式分類這幾個步驟來完成。首先采用信號預處理增強有用信號，其次利用特征提取將數據轉換成具有不同特性的可區分的特征向量，再次利用模式分類對經過特征提取后的特征向量進行更高層次的信息抽象，這個步驟一般通過建立分類模型，實現特征向量到類型的映射或回歸，以此達到信息處理與融合的目的。

4.5 數據通信和軟件融合

為了實現用戶生理監測信號的醫療處理，除了采集處理、處理數據之外，還需將數據傳輸到建立鏈接的醫療中心等節點。隨著互聯網的發展，生理監測智能穿戴裝置利用網絡就可以足不出戶地遠程傳輸數據，而醫生或用戶家屬可隨時監控用戶的實時個人生理數據，確保數據異常時，能進行及時有效的處理。

5 存在的問題

目前，生理監測智能穿戴裝置是醫療健康產品領域內研究的一大熱門，但其在相關的準確性、安全隱私、行業監管、功能等方面仍有一些不足[7]。

5.1 準確性度不高

目前由于穿戴式設備的小型化和方便攜帶的特性，傳感器的選擇范圍就受到限制，測量到的信號通常準確度不高，因此生理監測穿戴裝置仍不能替代醫用級的醫療設備。怎樣提高生理信號測量精度方法是目前可穿戴裝置面臨的困境。

5.2 隱私泄露

自可穿戴醫療裝置面世以來，數據隱秘性和安全性等問題一直都是專家們關注的要點。智能穿戴裝置大多利用無線網絡傳輸信息，信息傳輸的安全性比較低、信息處理形式不統一、多樣化、相互操作性難度較大等各種問題。這使得可穿戴裝置的數據與傳統醫療設備相比，更容易被竊取，并應用于一些非法的交易中。

5.3 行業監管不力

目前，醫療類產品琳瑯滿目，可穿戴醫療裝置的使用群體并沒有普及，國內可穿戴醫療市場秩序稍顯混亂，市場對這類產品沒有統一的標準，難以對其進行有利的監管，最終致使市場上的可穿戴醫療裝置質量參差不齊，存在以次充好的現象。目前，絕大多數智能穿戴醫療裝置沒有獲得醫療器械許可證，沒有標準去比對、校正其采集的數據，也就無法定義這些數據是否真的具有醫療價值，最終也就無法對臨床診斷提供幫助[8]。

5.4 產品同質化嚴重

目前國內外學者針對生理監測智能穿戴裝置的研究重點主要集中在人體心電、脈搏、血壓、運動等方面，缺少對人體其他生理參數的研究，導致研究成果和市場上的產品同質化比較嚴重、技術方面突破性低。此外，市面上的大多生理監測穿戴醫療裝置只是簡單對生理信號進行處理與分析，難以挖掘出更多有用的醫療信息。

6 結語

中國作為世界人口大國，人口占世界總數的20%，但國內的醫療衛生資源僅僅只占了世界2%，醫療資源分布的不均衡性以及城鄉醫療服務水平存在懸殊較大等問題都促使醫療機構向信息化以及智能化的方向發展。

生理監測智能穿戴裝置的宗旨就是計劃開發符合社會經濟發展的、全新的、智能型的醫療保健方式，用戶可以隨時監測個人生理參數，這樣可以彌補我國老齡化、醫療資源分布不均的現狀[9]。隨著技術的進步，能源的開拓發展，相信生理監測智能穿戴裝置在技術層面上會突破瓶頸，成為改寫人類醫療與保健方式的新技術，最終實現產業化，為廣大的消費大眾廣泛接受，從而為我國的智慧醫療建設添磚加瓦[10]。