可穿戴設備在醫(yī)院診療中的應用研究進展

韋 哲 薛 翔 呂克難

可穿戴設備在醫(yī)院診療中的應用研究進展

韋 哲①②薛 翔②呂克難②

醫(yī)療健康設備正向著智能化和便攜化的方向快速發(fā)展，可穿戴設備作為其代表，在醫(yī)療中扮演著越來越重要的角色，為此對可穿戴設備的發(fā)展歷程展開論述，并對可穿戴設備進行定義。將現(xiàn)有的可穿戴設備按形態(tài)分為手部穿戴、頭部穿戴、下肢穿戴及軀干穿戴四類，并對其在醫(yī)療中的應用進行詳細的介紹，對可穿戴設備中時尚元素加入、專一某個領域、新的交互模式以及輕便無形這4個未來發(fā)展趨勢進行相應的分析綜述，以對當前可穿戴設備在醫(yī)療中的應用有一個全面的了解，并且能夠把握可穿戴設備在醫(yī)院診療中的發(fā)展方向。但從所列產品中可以看出國內廠商的技術水平較發(fā)達國家還有一定差距，在產品和算法方面還有很大的提升空間。

可穿戴智能設備；醫(yī)療健康；發(fā)展趨勢

隨著互聯(lián)網行業(yè)以及微型電腦的不斷發(fā)展，可穿戴設備愈發(fā)受到大眾的青睞，從開始的谷歌眼鏡(Google project glass)到今天的蘋果手表(Apple watch)以及小米手環(huán)等，可穿戴設備逐漸深入到人們的日常生活，包括管理時間和軌跡、優(yōu)化健康以及健身等各個方面，讓互聯(lián)網進一步融入到人們生活中的各個領域，其在醫(yī)療中的應用也愈加廣泛[1]。

1 可穿戴設備的發(fā)展

可穿戴設備即直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設備。可穿戴設備不僅僅是一種硬件設備，更是通過軟件、IT支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實現(xiàn)其強大的功能。

2012年因Google project glass的亮相，被稱作“智能可穿戴設備元年”[2]。在智能手機的創(chuàng)新空間逐步收窄和市場增量接近飽和的情況下，智能可穿戴設備作為智能終端產業(yè)下一個熱點已被市場廣泛認同。目前，谷歌、三星、蘋果及英特爾等跨國公司，Jawbone、Pebble等創(chuàng)業(yè)型企業(yè)和國內的映趣電子、互愛科技等公司都在對可穿戴設備進行研究與開發(fā)[3-4]。發(fā)展到現(xiàn)在，可穿戴產品按形式分類為手部穿戴類、頭部穿戴類、下肢穿戴類以及軀干穿戴類四類。

2 可穿戴設備的分類

2.1 手部穿戴類

目前，主流的手部智能可穿戴設備有智能手環(huán)和智能手表，其主要功能包括信息資訊的查詢以及運動、醫(yī)療健康狀態(tài)的顯示(見表1)。

(1)智能手環(huán)。以小米手環(huán)為例，其可通過手機應用實時查看運動量，監(jiān)測走路和跑步的效果，還可以通過云端識別更多的運動項目。小米手環(huán)還能夠自動判斷是否進入睡眠狀態(tài)，分別記錄深睡和淺睡時間并匯總，幫助用戶監(jiān)測自己的睡眠質量，且還具有智能鬧鐘喚醒等功能[5]。

表1 手部穿戴類產品

小米手環(huán)的計步功能由硬件和軟件兩部分組成：硬件方面是指小米手環(huán)里內置的三軸加速度傳感器ADXL362，其采用全數(shù)據(jù)速率對傳感器的整個帶寬進行采樣，通過這個三軸加速度傳感器，手環(huán)就可以捕捉到其在使用中的加速度變化，從而生成數(shù)據(jù)[6]。軟件方面是指軟件算法，該算法是華米程序員根據(jù)三軸加速度實時捕捉到的3個維度的各項數(shù)據(jù)，經過濾波、峰谷檢測等過程，使用預測敲擊法等算法對數(shù)據(jù)進行處理，從而得到相應的步數(shù)數(shù)據(jù)，達到查看運動量的效果。

小米手環(huán)的睡眠質量檢測功能是根據(jù)重力感應的檢測為基礎，通過加速度傳感器和脈搏反射式傳感器采得的數(shù)據(jù)融合分析得到人體運動狀態(tài)，判定是否進入睡眠，并根據(jù)運動量的大小來判斷睡眠程度的深淺，而這種睡眠的檢測方法所得來的睡眠質量檢測數(shù)據(jù)并不是非常準確，與專業(yè)的睡眠質量檢測儀存在差距，但也具有一定的參考價值，而這種睡眠的檢測，在醫(yī)療中有輔助作用，有助于醫(yī)生了解患者的身體及心理狀況。

(2)智能手表。智能手表與智能手環(huán)相比，具有更強大的數(shù)據(jù)處理與顯示能力，并且可以自己安裝Android/IOS系統(tǒng)，可進行打電話或者收發(fā)短信。智能手表也可以安裝各種各樣的APP來滿足人們的其他日常需求，如對心率和步數(shù)的監(jiān)測等[7]。此外，智能手表不僅能通過APP對人體的生命體征進行監(jiān)測，同時還能通過APP對采集到的體征數(shù)據(jù)進行簡單分析，同時配合遠程醫(yī)療系統(tǒng)及智能手機，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠓降尼t(yī)療平臺。這樣，對采集到的數(shù)據(jù)不僅僅是APP的簡單分析，更能通過后方的醫(yī)療專家對數(shù)據(jù)進行研究分析，從而及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)護人員身體各方面的不適，并對其實施遠程醫(yī)療。

2.2 頭部穿戴類

頭部穿戴類的可穿戴設備主要有眼鏡式和頭盔式兩種，其他形式如頭箍目前尚未成熟，并未被廣泛的使用。

智能眼鏡的代表產品是Google project glass，該眼鏡具備了拍照、視頻通話及GPS定位等功能[8]。Google project glass的出現(xiàn)被許多人認為是智能可穿戴設備時代的開始，其在許多領域都有不錯的應用，如遠程醫(yī)療、輔助教學等。但是，Google project glass也存在著自身的不足，如用電量大且容易發(fā)熱，外觀很厚且不對稱，拍照時必須保持水平，操作也沒有描述的那么簡單，而且價格高昂，所以并未被大眾所接受。然而，經過近些年的不斷發(fā)展，智能眼鏡也有了新的技術突破，如影創(chuàng)科技公司的Air智能眼鏡，搭載全息投影技術，該項技術的應用，可以讓穿戴者在不同的場景應用中，感受最佳的場景體驗(如圖1所示)；再如愛普生的AR現(xiàn)實增強產品：Moverio BT-300智能眼鏡，其重量很輕，并且左右兩側各裝有一個SiOLED投影儀，可用于觀看高清的2D和3D視頻。但目前并未解決售價過高的問題，這也給智能眼鏡走進大眾的生活帶來了不小的阻力[9-10]。

圖1 谷歌眼鏡(Google project glass)

虛擬現(xiàn)實頭盔最先用于休閑娛樂中，如臉書(Facebook)旗下的Oculus公司推出的Oculus Rift頭盔[11]。如今，隨著智能頭盔的不斷發(fā)展，其應用已不僅僅是在休閑娛樂中，如LiveMap摩托車頭盔，使用增強現(xiàn)實技術作為導航，街道名稱、速度以及轉彎方向都可以直接顯示在使用者的周邊，而不用把注意力從道路上轉移。在停下來前，可彈出地圖。同時，LiveMap智能頭盔還包括與聲音控制有關的麥克風和耳機。此外，像LifeBand智能頭盔也能起到鍛煉監(jiān)測的作用，其主要檢測心率和卡路里消耗。與傳統(tǒng)的心率檢測器不同，LifeBand不需要胸帶，而是通過前額讀取脈搏，這樣可以使騎車鍛煉的人們感到非常的舒服，該頭盔可以通過藍牙與智能手表或智能手機連接，來顯示讀數(shù)，如圖2所示。

圖2 LiveMap摩托車頭盔

目前，由于價格過高的原因，頭部可穿戴設備并未廣泛普及，但其也有自己的優(yōu)勢，在醫(yī)療方面，頭部可穿戴設備可以在不影響佩戴者身體活動的前提下，對心率等生理信號進行探測，有助于佩戴者在運動中關注自己的身體情況，可適用于病后恢復鍛煉階段[12]。

2.3 下肢穿戴類

下肢穿戴類設備常以鞋和襪等形式出現(xiàn)。有研究表明，在運動檢測方面，智能鞋較其他部位的穿戴型設備的檢測更加準確。目前，谷歌(Google)、耐克(Nike)及蘋果(Apple)等公司都在努力研究用于運動檢測和游戲娛樂中的智能運動鞋。Nike公司的智能運動鞋配置了加速傳感器和陀螺儀，對可能引起受傷的動作發(fā)出警報(如圖3所示)。

印度一家公司也推出了一款具有全球定位系統(tǒng)(GPS)功能的智能運動鞋，其能通過震動指引使用者行進的方向，可幫助眼睛有問題的人出行。

圖3 三軸加速傳感器檢測示意圖

智能襪子也很受青睞，如智能襪子Sensoria可以分析穿戴者腳部的受力情況，從而可以幫助佩戴者改進跑步動作，此外，該襪子還可以計算出跑步時的步幅、步頻和步度等參數(shù)。由于下肢穿戴類設備可以輔助患者在下肢康復和評估健康方面起到很大的作用，所以下肢穿戴類設備在康復領域的應用非常廣泛[13]。

2.4 軀干穿戴類

軀干穿戴類設備主要以衣服、腰帶及胸帶等織物的形式出現(xiàn)，并早在10年以前就有了智能衣服的概念[14]。當時由美國的VivoMetircs公司生產的Lifeshirt就可以對穿戴者的生命體征進行監(jiān)控。但是，由于受到材料和工藝等諸多因素的限制，導致這個“shirt”看起來更像是一個救生衣，所以并未得到很廣泛的應用[15]。

可穿戴產品的最終形式是衣服，這是行業(yè)內普遍認同的趨勢。確實，沒有比一套舒適、時尚的衣服更適合做隨身科技裝備的了。智能服飾的出現(xiàn)離不開布料的開發(fā)，如今日本的紡織企業(yè)東洋紡株式會社(TOYOBO CO，LTD)宣布開發(fā)出一種適用于智能服裝的新型布料，并被命名為“COCOMI”，該布料呈薄膜狀，使用導電材料和樹脂，與其他布料相比更輕薄，更具有彈性。由于新布料使用了電子元器件的材料，所以能檢測出更微弱的電流，而由這種布料制成的智能服飾不僅可以測量穿戴者的心率，還可以測量穿戴者的心電和呼吸次數(shù)。

3 可穿戴設備的發(fā)展趨勢

3.1 時尚元素加入

時尚是對一種外表行為模式的崇尚方式，是一種在特定時間段內，率先由少數(shù)人嘗試、預認為將來會被社會大眾所崇尚和效仿的生活樣式。時尚元素的加入，會加快可穿戴設備被大眾接受的進程，從而促進可穿戴設備的發(fā)展。

3.2 專一于某個領域

由于可穿戴設備的穿戴特性決定了人們只有在“需要時才會使用”，而其移動性則在幫助用戶做出決策、提供快捷入口時起到關鍵作用。所以可穿戴設備不會像智能手機一樣，將重點放在功能的多樣化、任務的多重化上，其定位不在于解決用戶所有遇到的問題，而是集中某一個出發(fā)點。

3.3 新的交互模式

由于可穿戴設備視覺界面小、不易觸控，因此目前的方案是通過外接設備或自身佩戴的傳感器來檢測人身體發(fā)出的信號與信息，再將獲取的信息轉換為特定的、與之對應的操作模式。而新的交互模式的應用，則會使人機交互變得更加便捷。如MYO神奇護腕是一款壓力傳感器，其通過檢測肌肉運動與生物電變化來控制相關產品的可穿戴產品，配合手勢引起的不同部位的肌肉變化，可以無限制地進行隔空交互。

3.4 輕便無形

輕便無形是可穿戴設備發(fā)展中最理想的形式，但電池問題一直未能徹底解決。目前，科學家正在研制一系列能夠幫助擺脫外部能源，依靠人體產生的物質來提供電能的方法。如壓電感應、人體與外界的溫度差來產生電流或者可以用人體的汗液來為身體貼片提供能源。此外，導電油墨、導電纖維等新材料的出現(xiàn)與成熟，也可解決電線等障礙。

4 展望

通過對可穿戴設備的分類列舉，同時對其在醫(yī)療設備中的應用做了相應介紹，并對可穿戴設備的未來發(fā)展趨勢進行了預測。可穿戴設備由于其便攜性與功能性，在醫(yī)療方面有其無可比擬的優(yōu)越性，但從所列產品中可以看出國內廠商的技術水平較發(fā)達國家還有一定差距，在產品和算法方面還有很大的提升空間。人機合一的可穿戴設備必將從根本上改變人們在疾病的預防、治療以及恢復階段的現(xiàn)有醫(yī)療設備，隨著科技的進步，相信更高效和更智能的醫(yī)療設備終將實現(xiàn)。

[1]梅策香，柳鈺，曾利霞.可穿戴設備在人體健康監(jiān)測中的應用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子世界，2016(19)：8-10.

[2]念聰.谷歌眼鏡——戴在鼻子上的智能終端[J].軟件工程師，2013(7)：21-22.

[3]陳騫.智能可穿戴設備在醫(yī)療健康領域的發(fā)展與應用[J].上海信息化，2014(12)：83-85.

[4]朱銘潔.可穿戴式設備在教育教學中的應用研究[C].全國計算機輔助教育學會學術年會，2014.

[5]謝凌欽，石萍，蔡文杰.可穿戴式智能設備關鍵技術及發(fā)展趨勢[J].生物醫(yī)學工程與臨床，2015(6)：635-640.

[6]Wang B，Zhang HB，Xie DH.System Design of Movement Monitoring and Tilt-angle Measure Based on ADXL362[J].Electronics Quality，2013(9)：33-37.

[7]李金霞，張立強.基于生物反饋技術的可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].中國醫(yī)學裝備，2015，12(6)：34-36.

[8]劉湘一，王秀霞，王允良，等.可穿戴智能設備在航空維修中的應用前景探討[C].航空裝備維修技術及應用研討會論文集，2015.

[9]Zheng Y，Poon CCY.Wearable Devices and Their Applications in Surgical Robot Control and p-Medicine[C].IEEE International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design IEEE，2016.

[10]Metcalf D，Milliard ST，Gomez M，et al.Wearables and the Internet of Things for Health Wearable，interconnected devices promise more efficient and comprehensive health care[J].IEEE Pulse，2016，7(5)：35-39.

[11]陳耕藝.虛擬現(xiàn)實的社交之路[J].中國信息化，2015(6)：16-17.

[12]閆軍玲，李楠，杜小加，等.穿戴式移動醫(yī)療技術在遠程醫(yī)療中的應用研究進展綜述[J].中國數(shù)字醫(yī)學，2013(5)：105-108.

[13]徐蕾，陳敏亞.可穿戴醫(yī)療設備在醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].中國數(shù)字醫(yī)學，2015(5)：23-24.

[14]于顏碩.面向可穿戴式智能服裝的海量心電數(shù)據(jù)分析[D].大連：大連理工大學，2015.

[15]李海丹，吳深.可穿戴設備在休閑體育領域的應用前景探討[J].當代體育科技，2015，5(28)：192-193.

Research progress on application of wearable devices in diagnosis and treatment of hospital

/WEI Zhe, XUE Xiang, LV Ke-nan//China Medical Equipment,2017,14(8):170-173.

Medical and health equipment are rapidly developing in the direction of intelligence and portability. As a representative of them, wearable devices are playing an more and more important role in medical service. To this end, this review discussed the development process of wearable devices, and defined the concept of wearable devices. The existing wearable devices were divided into four categories according to their shapes: hand wear, head wear, lower limb wear and trunk wear. The application of them in medical service were particularly introduced. The 4 future development trends of wearable device, included adding fashionable element, focusing on a particular area, new interactive model and invisible portability, were analyzed and reviewed. Based on above analysis, we could got a comprehensive understanding for the application of current wearable device in medical treatment, and could hold the development direction of wearable device in medical treatment of hospital. While, for above products, there were some differences in technique level between domestic manufacturer and developed country, and there is a larger potential in the relevant products and arithmetic aspects.

Wearable intelligent device; Medical health; Developing trend

Department of Information, Lanzhou General Hospital. School of Electrical Engineering and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China.

1672-8270(2017)08-0170-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.047

2017-02-24

①蘭州總醫(yī)院信息科 甘肅 蘭州 730050

②蘭州理工大學電信學院 甘肅 蘭州 730050

韋哲,男,(1963- ),博士，碩士生導師，高級工程師。蘭州總醫(yī)院信息科、蘭州理工大學電信學院，從事生物醫(yī)學工程和信息工程研究以及醫(yī)療儀器及醫(yī)療信息系統(tǒng)的研制開發(fā)、科研、技術和管理等工作。