可穿戴医疗健康监护现状与展望周旺1,3，贾天震1,2,3，陈贤祥1，方震1,3 1.中国科学院 电子学研究所，北京100190；2.中国科学院 物联网研究发展中心，江苏 无锡 210018；3.中国科学院大学，北京 100190 [摘 要]可穿戴技术迅速发展的今天，人口老龄化进程加快、医疗资源相对紧缺，健康观念日益深入人心，使得医疗健康监护倍受关注。可穿戴健康监护设备，旨在实现实时监测人体各项健康信息，结合大数据分析和专家建议，为用户提供科学健康的指导。针对日益增加的慢性疾病和亚健康等问题，本文从慢病管理和健康监护两方面应用着手，介绍了可穿戴技术在医疗健康监护领域的应用现状及不足，对可穿戴医疗健康监护的发展趋势进行展望。 [关键词]可穿戴设备；慢病管理；健康监护；医疗设备；可穿戴技术 引言可穿戴技术（Wearable Technology，WT），将嵌有微处理器的电子设备舒适地依附于躯干的一项技术[1]。可穿戴技术起源于计算机技术与电子技术的结合，目前，广泛应用于医疗健康[2]、游戏娱乐[3]、教育文化[4]、军事[5]等领域，并积极促成新产业的蓬勃发展。近年来，随着人口老龄化程度日益明显，健康需求、保健意识与日俱增，可穿戴医疗技术强势兴起，可穿戴医疗设备层出不穷。 如今，研制的可穿戴设备基本覆盖人体全身[6]：可监测、调节大脑活动的智能头带；可监测运动、检测跌倒和跟踪位置的智能项链；可监测心率、呼吸和情绪的智能上衣；可监测运动、睡眠、心率、体温、血氧、血压的智能手环或手表；可监测心衰患者的肺积液重量及流动情况的智能马甲；可监测运动、坐姿的智能指环；可采集血糖、红血球、血小板等生化指标的智能腰带；可监测环境参数与婴儿睡眠的智能脚环。 从现代医学模式来看，“4P”即预防性（Preventive）、预测性（Predictive）、个体化（Personalized）、参与性（Participatory），可穿戴技术更是迎合该模式理念，旨在实现人体生理病理信息多参数、实时、在线、精准、智能化检测与分析，有助于用户进行疾病自我诊断与自我监护。 从社会背景来看，大气污染、人口老龄化等因素，致使许多慢性疾病在人群中蔓延并呈现年轻化的趋势。面对大众对慢病管理日益迫切需求，医疗资源紧缺的现状显然已经无法满足，一种院内治疗结合院外健康监护的模式受到越来越多关注，本文从可穿戴技术在慢性疾病管理和安全健康监护的应用展开介绍。 1 慢病管理1.1 血糖监测 经济高速发展，生活水平提高，饮食结构改变，科学运动缺乏，使得健康问题日益凸显，各种慢性疾病悄然而至，其中，糖尿病及其并发症尤为突出。据报道，目前中国糖尿病发病率高达9.6%，而血糖监测是控制糖尿病及其并发症的基础。 血糖监测，传统采用生化分析仪，直接取血进行测量。该方法应用广泛，精度较高，但是直接指尖取血较为麻烦，特别是对于需要多次测量的患者，从身心上都有一定畏惧。而可穿戴医疗设备广泛采用间接测量方法（微创/无创血糖测量），不直接获取血液，通过测量血液替代物的葡萄糖浓度来反映血糖浓度，或是采用光谱测量血糖浓度等。 1.1.1 方法一：血液代替法 血液替代物包括尿液、泪液和组织液。 （1）尿液测量：Bishnoi等[7]发现，糖尿病患者尿液中的8-OH-Gua（8-hydroxyguanine，一种DNA氧化损伤的生物标志物[8]）含量高于正常人，它为诊断糖尿病提供一种新的测量方法，但该项目还处于研发阶段，目前暂没有产品问世。 （2）泪液测量：美国谷歌公司和中国诺华制药公司[9]采用智能隐形眼镜测量泪液中葡萄糖浓度，此种方法缺陷是左右泪液存在差距，检测误差较大。 （3）组织液测量：雅培Free Style Libre Flash血糖监测仪[10]，采用微创敷贴式传感器。其传感器敷贴于用户上臂，将血糖监测仪扫描传感器即可测出结果，使用便捷，最长可以敷贴14 d。不足之处是对于低血糖精度较差。 1.1.2 方法二：光谱测量法 光谱法主要采用近红外光[11]、远红外光[12]、偏振光旋光技术[13]、拉曼光谱分析[14]、光散射谱的分析[15]和声光谱的分析[16]等。其原理是利用不同浓度葡萄糖在光谱上吸收与反射存在特异性。光谱测量法的缺陷是，没有找到对血糖值最有效的检测光谱长度，当前光谱会非特异性地被血液中其他成分所吸收，易对信号测量准确度造成影响。 1.2 血压监测 我国高血压患者数量庞大，且有逐年增高及年轻化的发展趋势。因而，血压监测对于日常健康护理具有积极意义。它能够让用户及早发现血压异常，及时做出预警，从而尽早预防心脑血管并发症等疾病发生。 血压测量方法分为直接测量法与间接测量法。直接测量法是用特制导管穿刺动脉，直接测量动脉压力。该方法准确度与灵敏度高，但需要专业人士操作，且存在感染风险，并不适合日常血压监测。间接血压测量法是采用柯氏音或示波法等原理，测试简单方便，但无法得到连续数据，另外测试过程也给测试者带来不适。无创连续血压测量是可穿戴式血压发展趋势，目前主流方法有：① 多普勒法，是依据多普勒效应，测出充气袖带远端动脉壁的声波频率来测量出血压；② 恒定容积法，该方法通过手指上动脉压传感器，发射透过手指的红外线来记录每次心跳产生的血压数据，如Finapres Medical Systems公司的指压式血压检测仪Finometer NOVA[17]；③ 动脉张力测量法，在桡动脉位置安装压力传感器，内置电子系统会将传感器置于桡动脉合适位置上，以准确测量动脉搏动信号，如SphygmoCor Atcor Medical公司的SphygmoCor®[18]。此法缺陷在于，若传感器受到碰压，会影响其测量准确性。 1.3 心脏监测 心脏病的发作往往带有随机性、突然性，由于缺乏有效监护，患者容易错过最佳抢救时间而使病情恶化，甚至有可能导致死亡。因此，加强心脏监测对于预防与控制心脏相关疾病意义重大。 心脏检查方法主要分为侵入式检查和非侵入式检查。侵入式检查方法监测虽然结果准确度高，但会给患者带来一些创伤，并不适合家庭使用；非侵入式检查主要是通过心电图（Electrocardiogram，ECG）方法进行检测，主要包括常规心电图与Holter动态心电图，此类方法无创伤，能较为准确地判断心脏的生理功能，监测结果准确度比较高，然而常规心电图方法只能记录短时间心电信号，Holter动态心电图存在穿戴舒适度较低，难以做到长时间监测的缺陷。 翟红艺等[19]研制一款监测心电异常的可穿戴镀银织物，克服了传统上通过导联线来检测的缺点，采用织物电极以及连接导线的衣服来记录心电信号。Vitalconnect公司研制可贴式心脏监护仪设备HeartPatch[20]，用户通过贴附至胸部便可检测出心率、体温、运动参数等八项指标测量。此外，对于可能存在心脏骤停风险的患者，ZOLL公司研制的可穿戴式除颤器LifeVest[21]能帮助患者监测心律失常等情况，并且对于遭受严重心脏病发作的患者可以进行紧急除颤，病人出现丧失意识情形时，设备通过电击让患者恢复正常心律。 1.4 睡眠监测 睡眠是帮助人体恢复机能最直接方式，良好睡眠对人们保持充沛精力有着积极作用。随着人们生活节奏加快、社会压力骤增，睡眠问题已经成为了影响人们生活与工作一大因素[22]，如何改善睡眠质量，加强睡眠监护成为人们关注的热点。 （1）改善睡眠质量。传统睡眠监测是采用多导睡眠图，记录睡眠时期脑电、脉搏、血氧饱和度等人体生理参数，通过以上生理参数分析睡眠呼吸、睡眠结构、心血管功能，并对相关睡眠疾病进行诊断。然而，多导睡眠监测实现起来较为复杂，受试者需要在身上连接多个电极，导致受试者入睡困难[23-24]，因而不适合于院外使用。 胡裕轩[25]研制一种便携式呼吸睡眠监测设备，其测量指标包含脑电、心电等六种电生理信号，该设备可以实现睡眠时各项生理参数采集与记录。Rofouei等[26]研制一款可穿戴睡眠监测仪，用户将它穿戴在颈部，用以测量颈部活动及耳部的血氧饱和度。以上两种设备能一定程度上对睡眠进行监护，但其穿戴舒适性并不是很好。智能手环[27]是一款佩戴方便，设计小巧的多功能设备，能记录用户步行数、卡路里消耗，还能对睡眠进行监护，此外大多数智能手环有相应APP，用户可以通过手机等终端设备获知深/浅睡眠时间等信息。 （2）加强睡眠监护。对睡眠实时监测可以预防在睡眠时发生危险，有助于及时发现与睡眠相关疾病。数据表明，随着生活节奏加快与社会压力陡增，呼吸睡眠相关疾病的患病率高达2%～4%，其中，42.7%存在有呼吸睡眠障碍。呼吸睡眠障碍是指在睡眠过程中出现如单纯鼾症、睡眠呼吸暂停低通气综合征等疾病，具体说来，它是指各种原因导致睡眠状态下反复出现呼吸暂停、高碳酸血症、低通气或睡眠中断等现象。我国对此病的初步流行病学调查结果显示，目前中国至少有5200万名睡眠呼吸暂停综合征患者。目前中国，至少有5200万名睡眠呼吸暂停综合征患者。 Inspire公司针对呼吸睡眠暂停患者研制了一种小型植入式呼吸睡眠暂停监测设备[28]，由小型发电机模块、呼吸传感器模块和刺激模块构成。其原理是针对个体呼吸特征差异，系统给出相应神经刺激，这些刺激会控制舌头和其他关键呼吸道肌肉运动，使之在睡眠时保持打开状态。 1.5 慢阻肺监测 大气污染日益严重，雾霾天气常态化出现，加之庞大的吸烟人群，导致呼吸系统相关疾病患者每年居高不下。关于呼吸系统疾病检测设备主要是在二级及以上医院使用，设备仪器设备昂贵，不利于院外诊断与筛查，与此同时也严重制约了对于呼吸系统疾病监测。 慢阻肺诊断的金标准是，吸入支气管扩张剂后，测量FEV1（第一秒用力呼气量）/FVC（用力呼气总量）是否<70%，这两项指标可以通过流量计来测量。常见流量计有涡轮式流量计、压差式流量计、热敏式流量计以及超声波式流量计，意大利MIR公司Smart one[29]采用涡轮式结构，通过涡轮旋转将发光-光敏二极管进行遮掩，来实现脉冲计数，设备本身不带有任何显示模块，与用户交互通过手机端进行，设计小巧，续航时间长。中科院智能所采用双压差式方案制作肺功能仪[30]，操作简单、精度较高，可用于慢阻肺院外监测。 2 健康监护可穿戴技术的健康监护应用，主要针对特殊儿童、老人、孕妇群体可能存在的摔伤、烫伤、早产等意外情况。应用可穿戴技术进行监护，能减少意外事件发生。下面对这3类人群应用实例逐一进行介绍。 2.1 儿童监护 患有脑性瘫痪儿童，存在走路困难和易摔倒症状。该疾病导致这些孩子不乐意参加集体活动，不利于他们成长。脑瘫治疗采用药物治疗配合矫正手术，为了评估手术效果，需要对术后孩子进行日常步态分析。Smith等[31]研制了一种穿戴式步态分析设备，用户只需要佩戴一个小腰包，便可以对日常行为活动与跌倒行为进行监测，并记录下治疗前后步态和跌倒信息。 2.2 老年监护 患有帕金森、癫痫、脑中风的老年患者存在肢体活动障碍，发生病情时容易造成摔伤、烫伤等意外，因而对这些特殊老年群体安全监护也是十分必要，下面具体举例说明。 目前，帕金森病治疗只是改善症状，尚无较好的系统康复方案，多是坚持药物治疗，辅助运动方案。Giansanti等[32]研制一款针对帕金森患者步数测量设备，它是一款绑贴在小腿处腓肠肌扩张测量单位（Gastrocnemius Expansion Measurement Unit，GEMU），该文作者在3种不同步速下重复10次、每次500步对GEMU进行测试，测试结果表明其平均误差<0.5%。另一款设备是Biosensics公司的LEGSys™[33]，进行步态分析的同时，还使用摄像头进行动作捕捉，数据通过蓝牙传输到APP，步态报告直接通过E-mail发送至手机端。 癫痫发作通常不受控制，长期频繁发作对患者身心会产生严重危害。一方面是容易出现摔伤、溺水、烫伤等意外，另一方面是社会上可能遭遇到的歧视。癫痫治疗主要以药物治疗为主，患者经过治疗后，约70%患者病情是可以得到有效控制。Bonnet等[34]研制了一种基于以太网通信的癫痫监测传感器，用户通过佩戴该传感器可以持续监测癫痫，一旦发生病情，会自动触发报警系统。Artefact公司的Dialog[35]是专为癫痫治疗设计的可穿戴设备，能够及时检测抽搐并快速提醒家庭或医护成员，并提供记录病人心情和药物服用情况的日志。 脑中风是以出现脑部缺血及出血性损伤为主要症状的疾病，其死亡率会随着年龄增长而上升，许多脑中风患者存在着难以恢复的肢体偏瘫。治疗中风方法以中西医结合为主，尤其是针灸疗法，能显著地改善患者瘫痪肢体和语言功能。Richard等[36]研制了一款针对中风患者恢复的训练器，训练器会事先指导患者学习一系列神经运动练习方法，内置传感器会记录患者运动量，分析数据后反馈给患者建议。 2.3 孕妇群体监护 母婴健康监护主要是两方面，一方面是对孕妇各项生理参数进行分析，确定孕妇分娩时期；另一方面是对胎儿生理参数进行监测，以实现优生优育。陈满妮等[37]研制一款便携式宫缩压力检测仪，能实时监测宫缩，但功能较为单一，无法对胎儿进行监护。麦海涛等[38]设计了一款母婴呵护平台，能对母婴生理参数进行实时监测与存储，并发送至远程医护人员进行分析监控，然而该系统目前存在网络连接不够智能、网络寻址方法繁琐等缺点。Head-med公司的Compass Pregnancy Monitor[39]是首款医疗级胎儿健康家庭监护产品，集成多种传感器，操作简单，只需将设备敷贴至用户腹部，准妈妈们就能安全、准确、轻松地评估胎儿的健康情况及孕期。 3 总结与展望在医疗领域，可穿戴技术在慢病管理、健康监护两方面的应用，正在逐步地受到大众认可，然而作为一种新型医疗监护技术，它还存在着许多的不足： （1）存在技术瓶颈。如设备本身续航能力、佩戴的舒适性、生理指标的准确性与稳定性、数据的隐私保护等方面。 （2）缺乏传感器网络系统。目前可穿戴医疗设备监测功能较为单一，缺乏传感器之间联动互通，只能用于疾病检测或者是院外护理，没有形成监测-治疗-康复的闭环系统。 （3）缺乏行业标准。主要是复杂的医疗环境，在缺乏行业标准规范下，各公司都希望依托自身核心产品来形成自身的标准与规范，难以整合资源。 （4）缺乏公众信任。可穿戴技术在医疗健康上的产品形态、护理模式、诊断准确度等方面，还没有为用户建立起可信赖的使用体验。 可穿戴技术在医疗健康监护的应用尚处于初级阶段，尚存在诸多不足。随着人们对可穿戴技术逐步认知，新型传感器技术、微能源技术、数据处理技术、柔性技术等方面持续创新，以及互联网相关技术（大数据、机器学习、人工智能等技术）的引入，不久的将来，可穿戴技术在医疗监护上的应用将大有突破。可穿戴医疗设备的穿戴舒适度将大为改善，可以实现全天候实时地监测人体各项健康指标，并通过无线传输技术上传到后台服务器，结合大数据分析进行数据处理，及时反馈用户健康状况，给出相应治疗措施和就医指导，做到疾病早发现、早治疗、早康复。 [参考文献] [1] What is Wearable Technology? 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Wearable health monitoring devices aimed at monitoring human health information in real-time and combining the analysis of big data and experts’ advice to provide scientific health guidance. This paper sumed up the application of wearable devices in the medical monitoring field from the aspects of chronic disease management and health monitoring, pointed out the existing deficiencies, and summarized the trend of wearable medical health monitoring. Key words：wearable technology; chronic disease management; health monitoring; medical device; wearable technology [中图分类号]TP274 [文献标识码]A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.001 [文章编号]1674-1633(2017)06-0001-05 收稿日期：2017-03-29 基金项目：国家重点研发计划（2016YFC1304302）；北京市自然科学基金重点研究专题项目（Z16003）。 通讯作者：方震，博士、研究员、博士生导师，中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室副主任，主要研究方向为医疗电子和健康物联网技术。 通讯作者邮箱：zfang@mail.ie.ac.cn |