可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)研究與展望

【作者】萇飛霸，尹 軍，張和華，顏樂先，李姝穎，周德強(qiáng)

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶市，400042

可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)研究與展望

【作者】萇飛霸，尹 軍，張和華，顏樂先，李姝穎，周德強(qiáng)

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶市，400042

可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)即利用穿戴式生物傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)與生理參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)與健康管理。穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是具有無創(chuàng)連續(xù)檢測人體生理信息、數(shù)據(jù)無線發(fā)送和實(shí)時(shí)處理功能的集成系統(tǒng)，能滿足低生理、心理負(fù)荷條件下的生理狀態(tài)監(jiān)測。該文首先介紹了可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用到的相關(guān)技術(shù)，然后著重介紹了目前我們所做的與可穿戴式健康監(jiān)護(hù)相關(guān)的研究工作，即穿戴式呼吸與心電采集以及多參數(shù)體域網(wǎng)的構(gòu)建。最后，對(duì)未來可穿戴式監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展方向提出了簡單的展望。

可穿戴式系統(tǒng)；健康監(jiān)護(hù)；生理參數(shù)檢測；研究與展望

0 引言

可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)(Wearable Health Monitoring System, WMHS)是指利用穿戴式生物傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)與生理參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)人體非介入、連續(xù)無創(chuàng)的診斷監(jiān)測以此幫助穿戴者實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)與健康管理。該系統(tǒng)普遍具有生理運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測和處理、信號(hào)特征提取和數(shù)據(jù)傳輸及分析等基本功能模塊[1]。其中生理運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測主要獲取的人體信息包括：第一是體外數(shù)據(jù)采集，主要通過帶G-sensor的三維運(yùn)動(dòng)傳感器或GPS獲取運(yùn)動(dòng)狀況、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)量，來幫助用戶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和睡眠的管理； 第二是通過體征數(shù)據(jù)(如心率、脈率、呼吸頻率、體溫、熱消耗量、血壓、血糖和血氧、激素和BMI指數(shù)，體脂含量)監(jiān)測來幫助用戶來管理重要的生理活動(dòng)。

可穿戴式生物傳感器系統(tǒng)健康監(jiān)測的設(shè)計(jì)和開發(fā)在最近幾年里引來了眾多的關(guān)注，主要是由于醫(yī)療成本增加以及微型可穿戴傳感器、智能紡織品、微電子學(xué)、和無線通信等科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)。可穿戴傳感器為基礎(chǔ)健康監(jiān)測系統(tǒng)將對(duì)穿戴者的日常活動(dòng)的影響降到最低，以期實(shí)現(xiàn)低生理、心理負(fù)荷下的個(gè)人健康管理和對(duì)病人健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)包括各種類型的生理檢測傳感器，數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，并能因此提供全天低成本的健康、心理和行為狀態(tài)監(jiān)測而不引人注目。本文首先試圖全面的介紹可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用到的相關(guān)技術(shù)，然后著重介紹目前我們所做的與可穿戴式健康監(jiān)護(hù)相關(guān)的研究工作，即穿戴式呼吸與心電采集以及多參數(shù)體域網(wǎng)的構(gòu)建。最后，對(duì)未來可穿戴式監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展方向提出一些簡單的展望。所以對(duì)于可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1 可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體系統(tǒng)框圖

目前，可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究模型主要分為基于微處理器和定制平臺(tái)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于體域網(wǎng)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于商業(yè)藍(lán)牙傳感器和手機(jī)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；其他類型的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)[2]。無論哪一種研究模型的可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)通常都由三個(gè)模塊組成如圖1所示的可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體系框圖。

圖1 可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體系框圖Fig.1 The diagram of wearable health monitoring system

可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)的三個(gè)模塊即前端的生理及運(yùn)動(dòng)信息采集模塊、中間的通信模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。前端的生理及運(yùn)動(dòng)信息采集模塊主要由一系列可穿戴式傳感器采集人體的生理及運(yùn)動(dòng)信息；然后由通信模塊將采集到的信息發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)站點(diǎn)；最后遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)站點(diǎn)根據(jù)采集到的生理及運(yùn)動(dòng)信息利用數(shù)據(jù)分析模塊獲取與臨床相關(guān)的生理、病理信息。

2 可穿戴式生理參數(shù)檢測關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)主要解決的是傳感器及采集模塊如何獲取人體的生理與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

目前，微電子學(xué)、MEMS以及電子智能紡織品等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)傳感器技術(shù)起到了革新作用。微電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展可以使穿戴式設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出集成感知能力、前端放大、微控制器、無線發(fā)送等功能模塊的更小型電路。

MEMS制造工藝的進(jìn)步，使得更多的微型慣性傳感器可以用于人體活動(dòng)及健康狀態(tài)的監(jiān)測。 采用MEMS批量制造技術(shù)，可以使傳感器的成本與尺寸得到顯著減少。 結(jié)合微電子技術(shù)，可以把更多的處理電路、微控制器和無線通信電路集成到一個(gè)芯片上。

電子智能紡織品是一種基于電子技術(shù)，將傳感器、通訊、人工智能等高技術(shù)手段應(yīng)用于紡織技術(shù)而開發(fā)的新型紡織品。目前基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以檢測人體的呼吸、心率、心電等體征參數(shù)，甚至可以無創(chuàng)的檢測人體的血糖、體液PH等人體生化參數(shù)。且基于材料科學(xué)的進(jìn)步可以使基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)集成更多的生理參數(shù)傳感器[3]。

2.2 通信技術(shù)

傳感器及采集模塊采集的生理與運(yùn)動(dòng)信息如何傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)或者遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)站點(diǎn)。所以，可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的通信主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)： (1)把生物傳感器采集的生理信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)；(2)可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)站點(diǎn)或醫(yī)生手機(jī)。對(duì)于穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)站點(diǎn)或醫(yī)生手機(jī)目前可以采用WLAN、GSM、GPRS、4G無縫接入網(wǎng)絡(luò)來完成。互聯(lián)網(wǎng)有更高數(shù)據(jù)傳輸率，從而更有效地促進(jìn)需要實(shí)時(shí)測量收集在遠(yuǎn)程位置的佩戴式健康監(jiān)護(hù)器系統(tǒng)[4]。

對(duì)于把生物傳感器采集的生理信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)可以利用現(xiàn)有的近程無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。目前可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的近程無線通信技術(shù)主要有Zigbee、Bluetooth、IrDA、MICS等，其中Zigbee和Bluetooth技術(shù)在穿戴式系統(tǒng)中具有低功耗、低成本、理想的傳輸距離等應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢。而隨著目前智能手機(jī)的普及且都集成藍(lán)牙模塊，而且其計(jì)算和存儲(chǔ)能力逐漸，對(duì)于人體連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測成為可能。同時(shí)，智能手機(jī)應(yīng)用于可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)中作為信息網(wǎng)關(guān)將采集到生理信息發(fā)送出去，能夠簡化穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而采集的生理數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，并且可以通過智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測病人的生理狀態(tài)。另外它集成的GPS追蹤系統(tǒng)可以很快確定危險(xiǎn)病人的位置。所以選擇藍(lán)牙傳輸生理信號(hào)是設(shè)計(jì)人體生理信號(hào)采集系統(tǒng)的首選。

2.3 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)分析技術(shù)主要解決的問題是臨床根據(jù)傳輸來的生理與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以及如何獲取與臨床相關(guān)的信息。在可穿戴式設(shè)備的數(shù)據(jù)信息處理中涉及信息的采集、存儲(chǔ)以及收發(fā)等環(huán)節(jié)；涉及信號(hào)處理、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能方法；涉及云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等諸多技術(shù)門類。所以，在實(shí)際的可穿戴設(shè)備中，需要將數(shù)據(jù)分析的環(huán)節(jié)、方法、技術(shù)等進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，以更好的滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)信息處理的要求，更好的提升用戶體驗(yàn)效果[5]。哈佛大學(xué)Paolo研究組和Norwegian大學(xué)Rolf研究組將矢量量化、投影算法和各種不同情況數(shù)據(jù)分類算法等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于工作勞累引起的肌肉性疼痛患者的生理情況監(jiān)測中，并取得較好的效果[6]。此外，可穿戴式監(jiān)控監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中還涉及人機(jī)交互技術(shù)，電池續(xù)航能力等相關(guān)技術(shù)。

3 可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究

目前，可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究模型主要分為基于微處理器和定制平臺(tái)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于體域網(wǎng)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于商業(yè)藍(lán)牙傳感器和手機(jī)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；其他類型的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)。在這幾種研究模型中，我們主要研究了基于智能紡織品的可穿戴式呼吸檢測、基于商業(yè)藍(lán)牙和智能手機(jī)的心電監(jiān)護(hù)以及基于體域網(wǎng)的人體多參數(shù)檢測。

3.1 基于智能紡織品的呼吸信號(hào)檢測

目前，可穿戴式呼吸監(jiān)測主要方法有口鼻氣流法、電阻抗體積描記和感應(yīng)體積描記技術(shù)。口鼻氣流法的傳感器佩帶不方便，對(duì)穿戴者的日常行為習(xí)慣會(huì)造成一定干擾；電阻抗體積描記不準(zhǔn)確而且易引入運(yùn)動(dòng)偽跡；而感應(yīng)體積描記技術(shù)是目前認(rèn)為最準(zhǔn)確、簡單、易穿戴的方法。而基于智 能紡織品的呼吸信號(hào)檢測采用的是基于PVDF制作的HXB-2型呼吸波傳感器如圖2所示。本傳感器為壓電式胸帶（或腹帶）固定式呼吸傳感器，可用于無損傷檢測人或動(dòng)物的呼吸波運(yùn)動(dòng)波形。使用方便、可靠、靈敏度高、耐用，且可以通過編織物融合到衣物中。

圖2 HXB－2型呼吸波傳感器Fig.2 HXB-2 respiratory wave sensor

基于智能紡織品的呼吸信號(hào)檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，該系統(tǒng)主要由呼吸信號(hào)采集處理模塊、微處理器控制模塊、藍(lán)牙通信模塊以及電源模塊等組成。

圖3 基于智能紡織品呼吸信號(hào)處理框圖Fig.3 The block diagram of respiratory signal processing based on the E-textiles

根據(jù)呼吸信號(hào)和HXB-2呼吸波傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，傳感器采集的呼吸信號(hào)是一個(gè)微弱毫伏級(jí)別信號(hào)。為了完成對(duì)呼吸信號(hào)的線性放大及阻抗匹配，首先經(jīng)過前置差分放大電路進(jìn)行放大且消除抗共模干擾；然后分別通過一高通和低通濾波器濾除呼吸信號(hào)以外其他信號(hào)干擾例如肌電的干擾等；最后經(jīng)過后置放大電路把呼吸信號(hào)放大到適合A/D采樣的電壓范圍。微處理器通過對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析處理并通過藍(lán)牙將采集到的呼吸信號(hào)發(fā)送到PDA 或智能手機(jī)等手持終端[7]。

3.2 基于藍(lán)牙和智能手機(jī)的心電監(jiān)護(hù)

基于目前智能手機(jī)可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)中，智能手機(jī)可以作為信息網(wǎng)關(guān)、信息處理單位、GPS 追蹤系統(tǒng)、存儲(chǔ)與計(jì)算單元等在可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮著作用。在基于商業(yè)藍(lán)牙傳感器和手機(jī)的WHMS中，可穿戴式心電監(jiān)護(hù)是最典型的應(yīng)用。基于智能手機(jī)的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)如圖4所示，心電采集模塊導(dǎo)聯(lián)方式選擇為“單級(jí)心前導(dǎo)聯(lián)方式”。 心電采集電極采用“紡織式”電極，可隱藏電纜線、可拆洗性、舒適性、安全性。

圖4 可穿戴式心電健康監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)框圖Fig.4 The block diagram of wearable ECG monitoring system design

基于智能手機(jī)的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用智能手機(jī)作為心電波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器平臺(tái)，配以前端心電采集模塊，組成心電采集與監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)有體積小，功能性強(qiáng)，操作方便等特點(diǎn)，并且對(duì)穿戴者的日常生活行為不會(huì)造成任何的約束與干涉，對(duì)現(xiàn)有采用PC機(jī)作為心電波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器的心電檢測和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小，易攜帶性；另外對(duì)于一些直接采用單片機(jī)做處理器的心電采集和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能較為豐富，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，使用方便[8]。

3.3 可穿戴式無線體域網(wǎng)系統(tǒng)

基于無線體域網(wǎng)WBAN（Wireless Body Area Network）的可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是以身體為中心，并集成生物傳感器、醫(yī)學(xué)電子學(xué)、多傳感器分析與數(shù)據(jù)融合、人工智能、普適傳感、無線通信和其他創(chuàng)新應(yīng)用等多學(xué)科知識(shí)。可穿戴式無線體域網(wǎng)中的無線傳感器生理信息采集節(jié)點(diǎn)可以和患者隨身攜帶的終端如PDA 機(jī)、3G智能手機(jī)等進(jìn)行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)，還能夠通過Internet 或者手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)等方式，向遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳、備份、分析與反饋。另外，終端還能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)突發(fā)性疾病可以向患者的家屬發(fā)出報(bào)警[9-10]。

圖5 可穿戴式無線體域網(wǎng)系統(tǒng)Fig.5 Wearable wireless body network system

本文根據(jù)Wearable BAN對(duì)人體體征參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了人體的血壓、指脈、皮膚電阻、呼吸和姿態(tài)5個(gè)生理參數(shù)的采集節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采集節(jié)點(diǎn)利用可穿戴式的低負(fù)荷傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體這5個(gè)生理參數(shù)的采集，采集到人體的體征參數(shù)之后通過藍(lán)牙方式發(fā)送到個(gè)人服務(wù)器即PDA或3G手機(jī)，并隨后通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程緊急救助服務(wù)器、醫(yī)療數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、醫(yī)生服務(wù)器等聯(lián)網(wǎng)，保證了對(duì)病人實(shí)時(shí)情況的監(jiān)測。

4 總結(jié)與展望

可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)是指利用穿戴式生物傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)與生理參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)人體非介入、連續(xù)無創(chuàng)地診斷監(jiān)測以此幫助穿戴者實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)與健康管理。該系統(tǒng)具有微型化、智能化（高級(jí)運(yùn)算功能，適于不同工況）、個(gè)性化（多狀態(tài),多參數(shù)）、網(wǎng)絡(luò)化（多種傳輸形式）、安全保密性(數(shù)據(jù)加密，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸,自主研發(fā)的定位系統(tǒng)）、舒適性（低生理、心理負(fù)荷）等優(yōu)點(diǎn)。

未來可穿戴設(shè)備或可依靠人體自身能量運(yùn)行。電池續(xù)航能力一直是可穿戴式設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，要提高續(xù)航能力而不減少設(shè)備性能的情況下，那么設(shè)備的尺寸就必然有所增加。而未來可穿戴設(shè)備或可依靠人體自身能量運(yùn)行；未來可穿戴設(shè)備或更多兼顧穿戴者的心理、情緒。未來可穿戴式健康監(jiān)護(hù)設(shè)備不僅可以監(jiān)測人體的體外、體征信息，而且可以根據(jù)采集緊張或是放松狀態(tài)；未來可穿戴設(shè)備不僅是信息采集器，更是調(diào)節(jié)器。不僅可以單純地檢測到穿戴者的生理心理等參數(shù)，而且可以根據(jù)采集到的信息做出對(duì)人體活動(dòng)的一些調(diào)節(jié)活動(dòng)；未來可穿戴設(shè)備將出現(xiàn)更多的植入式、離體式設(shè)備。

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The Research and Expectation on Wearable Health Monitoring System

【W(wǎng)riters】CHANG Feiba, YIN Jun, ZHANG Hehua, YAN Lexian, LI Shuying, ZHOU Deqiang

Medical Engineering Department, Institute of Surgery Research, Daping Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing, 400042

Wearable health monitoring systems that use wearable biosensors capturing human motion and physiological parameters, to achieve the wearer's movement and health management needs. Wearable health monitoring system is a noninvasive continuous detection of human physiological information, data wireless transmission and real-time processing capabilities of integrated system, can satisfy physiological condition monitoring under the condition of low physiological and psychological load. This paper first describes the wearable health monitoring system structure and the relevant technology applied to wearable health monitoring system, and focuses on the current research work what we have done associated with wearable monitoring that wearable respiration and ECG acquisition and construction of electric multi-parameter body area network. Finally, the wearable monitoring system for the future development direction is put forward a simple expectation.

wearable system, health care, physiological parameters detection, research and expectation

TP274

A

1671-7104(2015)01-0040-04

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.01.011

2014-06-12

萇飛霸，E-mail：chang573788260@163.com

尹軍，E-mail: gaiety@126.com