智能可穿戴醫療設備及服裝的特點、關鍵技術及應用

羅琳琳，龔霞輝

智能可穿戴醫療設備及服裝的特點、關鍵技術及應用

羅琳琳，龔霞輝

(黎明職業大學 紡織鞋服工程學院，福建 泉州 362000)

針對社會老齡化及大眾人群的“亞健康”現象，采用文獻分析法，簡述近年來國內外智能可穿戴醫療設備的研究成果與應用情況，總結智能可穿戴醫療設備的主要特點。對智能可穿戴醫療設備的關鍵技術進行歸納，并對產品進行分類，對智能可穿戴醫療設備的應用人群及應用場景進行分析。最后提出智能可穿戴醫療設備在技術領域、行業標準、安全隱私、實用功能等方面存在的不足及發展趨勢。分析結果表明：適應市場及消費者需求的智能可穿戴醫療設備應該是時尚美觀、微型化、無線化、標準化、產業化、安全可靠及智能的。

智能可穿戴；醫療設備；傳感技術；大數據；應用場景；市場需求

隨著社會老齡化人群的增加及社會壓力的增大，“亞健康”普遍存在于大眾人群中，而智能可穿戴技術的快速發展，各種智能可穿戴醫療設備應用到日常生活中。醫療是關系到民生的大問題，互聯網經濟的發展使醫療模式正在發生重大轉變，海量數據覆蓋了我們生活的方方面面，醫療領域將迎來新一輪的重大變革，尤其是智能可穿戴醫療設備的發展，為國民經濟與全民健康的發展帶來了新的可能。在發展的過程中，智能可穿戴醫療也面臨著較大的阻礙與困難，例如缺乏公眾信任度、價格昂貴、信息監測不準確等，主要原因是受限于目前整體技術的發展現狀，但在不久的將來，智能可穿戴醫療將成為舉足輕重的一項重要產業。新技術與健康領域的有效結合對于人類未來健康生活具有積極意義。

一、智能可穿戴醫療概述

（一）智能可穿戴醫療設備定義

智能可穿戴醫療是指將傳感器等可測量生命體征的監測技術嵌入到人們日常穿戴的手環、手表、眼鏡、服裝、飾品等產品中，并能夠實時監測人體血壓、血糖、血氧、心率、體溫、呼吸等各項生理指標，且可用于疾病治療的一種新型可穿戴產品的總稱[1-2]。

（二）智能可穿戴醫療設備特點

智能可穿戴醫療產品作為一種可用于人體穿戴的特殊產品，需具備微型化、集成化、可移動性、可持續性、低功耗、簡單操作性、可交互性等七大特點。

（1）微型化。為了滿足可穿戴的要求，智能可穿戴醫療設備應該具有舒適性、微型化的特點，因此敏感元件的使用一般為微米級，例如，已經得到應用的鹽粒大小的血壓計[3]。

（2）集成化。單一功能難以滿足消費者的需求，功能集成化是可穿戴醫療產品必備的特點。

（3）可移動性。人體是一個不斷移動的整體，固定的醫療設備難以隨時隨地對人體狀況進行檢測，可移動性決定了檢測的連續性，從而能夠有效預防突發疾病，并進行有效治療。

（4）可持續性。持續監測對突發性病人的監測十分重要。但由于監測技術本身的限制，目前一些重要生理數據的連續監測技術仍在發展中，無創監測技術的出現能夠對血壓、血糖等生理指標進行連續監測[4]。

（5）低功耗。持續性監測要求持續的能源供應，低功耗在檢測類軟硬件體積不變的前提下可有效延長檢測時間。

（6）簡單操作性。可穿戴醫療產品面向大眾消費群體，操作簡單才能為大眾普遍接受，尤其是對于接收新事物比較困難的老年人來講。

（7）可交互性。可穿戴醫療產品不僅可以隨時監測人體生理數據，還可以將通過顯示儀器將數據顯示出來，從而進行監測和分析，這一點是非常重要的。

二、智能可穿戴醫療設備的關鍵技術

運用在智能可穿戴醫療設備中的關鍵技術包括傳感技術、可穿戴材料技術、數據采集與存儲技術、無線體域網絡技術、信息融合技術等。

（一）傳感技術

運用在可穿戴醫學領域中的傳感器可分為三類：生物醫學傳感器，運動傳感器。傳感器在服裝中的分布主要為胸部、袖口、腰部和腿部等。

（1）生物醫學傳感技術。生物電傳感技術、人體物理傳感技術在生物醫學傳感技術中的應用最為廣泛[5]。生物電傳感技術主要用于測量心電、腦電等各種生物電信號，人體物理傳感器主要用于測量體溫、血壓、呼吸等生理參數[6]。

（2）運動傳感器。三維加速度傳感器和傾角傳感器在運動檢測中運用較多，主要用于監測人體上下肢的運動狀態，包括人體平衡檢測，身體跌倒檢測等。例如老年人突然發生昏迷并摔倒時，運動傳感器制作的可穿戴醫療設備可進行實時監測，并發出警報信號，從而及時對老年人進行救助。

（二）可穿戴材料技術

柔性可穿戴電子的發展開啟了智能可穿戴領域的新篇章，目前有多種用于可穿戴醫療領域的有機、無機及介電材料的開發，碳納米管、納米鋁、納米銀線是目前運用較多的無機納米材料。

印刷技術在柔性可穿戴電子領域中的研究屬于熱門話題，如印刷柔性發光器件、印刷柔性電路、印刷柔性光伏等技術的研究在智能可穿戴醫療設備領域中具有一定發展潛力。例如美國加州理工學院研制的硅柔性皮膚。相關的技術還有編織、刺繡等技術，即將電極和柔性傳感器等材料織入服裝，或運用刺繡的方法嵌入織物或配飾中，使病患能夠隨時穿著，并有效監測穿著者的生理數據[7-8]。

（三）數據采集與存儲技術

數據采集與存儲是指通過傳感等智能元件對外界信息進行獲取，并進行處理、分類、加工、存儲并顯示的系統和方法[9-10]。數據采集與處理技術主要用于航空航天領域，采集測量航天員的生理數據，如航天員的呼吸、心電波形等。可持續的電量存儲是數據有效采集與處理的前提，鋰電池是運用較多儲能物質，但是要提高鋰電池的續航能力，就得增大自身體積，不利于可穿戴設備的發展，目前正在開發其它存儲方式，如環境中的太陽能、機械能和熱能，人體日常活動中的機械能等。

三、智能可穿戴醫療的分類

智能可穿戴醫療設備一般按照生理數據監測、診斷、預防、康復治療、佩戴方式、連續性采集、按時采集和需要時采集進行分類[11]。智能可穿戴醫療設備根據采集數據類型可分為生理數據、心理數據、物理數據、生化數據、影像數據采集等。圖1為目前已有智能可穿戴醫療設備與服裝。具體分類形式如表1所示。

圖1 智能可穿戴醫療設備與服裝

表1 智能可穿戴醫療設備的分類

四、智能可穿戴醫療設備的應用

智能可穿戴醫療主要應用在老年監護、嬰幼兒監護、孕婦監護、殘疾人群監護、急慢性病監護、一般人群監護等多個場景中。圖2為2019世界物聯網博覽會中的智能可穿戴醫療設備，為中國移動5G產品，可用于社區場景的監護。

圖2 2019世界物聯網博覽會中的智能可穿戴醫療設備

（一）老年監護

中國是世界上唯一一個老年人超過1億的國家，老年人群中存在各種疾病，例如高血壓、心腦血管疾病，且摔倒后容易引起并發癥[13]。老齡化趨勢明顯，緊缺的醫療資源及分布不均衡難以滿足老年人群的日常監護，智能可穿戴醫療設備的發展對于解決老年人日常監護問題具有一定作用，例如隨身血壓儀，睡眠監測儀等，一般需要連接智能手機，并下載相應醫療軟件，操作復雜，老年人不容易掌握方法。

（二）孕嬰監護

孕婦監護主要表現在兩方面：一是對自身的各項生理數據進行檢測，預測孕婦分娩期；二是對胎兒情況進行實時監測。孕婦作為特殊人群，定期去醫院排隊時間較長，如：廣東省一家婦幼保健醫院研發了一套智能可穿戴醫療設備，在家即可監測胎心、血糖、血壓、脈搏、心電等孕期基本數據；Compass Pregnancy Monitor是一款家庭用醫療產品只需要將設備放在腹部，孕婦就可以簡單、準確的判斷胎兒的健康情況[14]。

嬰幼兒是指0-3歲的兒童，嬰幼兒因年齡問題表達能力及自我保護意識較差，自身免疫系統尚未完善，目前市場上用于嬰幼兒的可穿戴醫療設備多為手環、腳環、衣服、尿不濕等[15]。

（三）殘疾人群監護

可穿戴醫療設備在殘疾人群中的應用旨在幫助殘疾人生活自理，減輕看護人的壓力及社會。但是將可穿戴醫療設備與人體高度銜接，并達到正常人的水平是非常困難的，現在仍處于研究階段。例如Huge Herr所研究的仿生假肢，輔助殘疾人自理的可穿戴外骨骼等。

（四）急慢性病患者監護

隨著社會工作及生活方式的轉變，飲食和運動方式都有所轉變，各種急慢性病發生概率大幅度增加。慢性疾病例如腦血管疾病、呼吸類哮喘病、慢性貧血癥等若不進行及時監測和治療，可能會引發大問題。心臟病的發生帶有突發性、隨機性，許多患者由于未能及時進行監測和救治，導致病情惡化，甚至死亡。因此，開發相應的可穿戴醫療設備對于急慢性病的監護至關重要。在慢性疾病的管理中，通過可穿戴醫療設備可以在家庭中時刻檢測糖尿病、心臟病、哮喘、肺病等各類慢性病，如EU CHRONIUS項目開發了一種智能T恤監測慢性腎病和慢性阻塞肺病[16]；日本Sano Intelligence公司開發了一種智能一次性傳感器芯片，貼在人體皮膚上可連續檢測血液參數7天[17]。

急慢性病的監護主要用于以下三個場景:

（1）用于研究的不定期監測，主要是可以在家庭中進行特定時間的生理數據監測，如CORVENTIS開發了一種稱為NUVANT的“智能創可貼”，可以測量心率、體溫、呼吸速率等，并可以連接藍牙無線，用于傳輸數據到監測中心[18]。

（2）活動和行為的監測，通過這一應用可以來識別疾病的早期癥狀，例如老年癡呆或者糖尿病。

（3）用于生物力學康復。通常用于監測術后恢復及康復計劃中病人的表現監測等，如加拿大公司開發的Smart Step是一個戴在腳踝的可穿戴設備，它可以為患者提供正確的恢復知道，可用于中風康復和帕金森癥的康復。

（五）一般人群監護

可穿戴醫療設備可以采集大量的數據，并且根據數據分析預防潛在疾病的發生，幫助一般人群更健康的生活，可以有效降低醫療成本，對于社會疾病的控制、人們生活質量的提高意義重大。

五、現狀與發展趨勢分析

醫療領域的可穿戴產品可以說是最受青睞的，近年來，各大海外巨頭均加入了智能可穿戴醫療設備研究的大軍，國內同樣引起高潮，公眾關注度、需求度較高。但智能可穿戴醫療設備由于各種原因依舊存在很多問題，隨著“健康中國”的建設全面啟動，智能可穿戴醫療設備有望突破瓶頸進入快速發展期[19]。

（一）現狀與問題

智能可穿戴醫療設備作為醫療健康領域的新生類產品，在技術領域、行業標準、安全隱私、功能等方面存在不足，主要有以下幾類問題。

（1）存在技術瓶頸。目前的智能可穿戴醫療設備所存在的技術問題主要是續航、數據采集的準確性與穩定性等問題。能量存儲量一般與自身體積稱正比，而可穿戴醫療設備需要續航持久與微型化共存，但數據采集在微型與持久性集成化時往往又影響功能的使用。

（2）缺乏行業標準。目前的醫療環境大而復雜，且產品多種多樣，并且可穿戴醫療設備的應用并不廣泛，因此很難建立統一的行業標準。

（3）隱私及安全隱患。數據隱私及安全問題自可穿戴醫療設備發展以來備受關注。智能可穿戴醫療設備在介質上多使用無線傳輸技術，安全程度較低，且格式多樣化，不統一，互操作難度高，轉化過程無障礙。規模巨大，隱私內容較多，控制困難，且目前沒有統一的隱私標準，各個環節的隱私保護也較差，因此較傳統醫療設備更容易導致數據被竊取，并應用于一些非法的交易中。目前保護隱私及安全問題行知有效的方法是通過加強道德規范、法律保護的形式實現，另外對于一些網絡及信息的訪問可以進行加密或權限控制，以防止消費者信息被暴露。

（4）缺乏傳感器網絡系統。可穿戴醫療產品目前多涉及到傳感器的使用，由于傳感網絡系統的缺乏，傳感器之間難以互通，因此可穿戴醫療類產品功能較單一，使用范圍較小，限制了智能可穿戴醫療設備的發展。

（5）質量問題。目前的可穿戴醫療產品品種較多，種類雜亂，且對于生產材料、技術方面并沒有統一行業標準，因此存在輻射、材料安全性不達標等問題。

（6）價格較高。價格是決定消費的因素之一，而目前的智能可穿戴醫療設備價格普遍高，性價比又比較低，因此可用于推廣的條件不夠充分。

（7）公眾信任。由于智能可穿戴產品目前應用的并不廣泛，再加上各種負面新聞的報道，因此還沒有為用戶建立起公眾信任的用戶體驗。

（二）發展趨勢分析

通過智能可穿戴醫療設備的不足分析可以發現，適應市場及消費者需求的智能可穿戴醫療產品應該是時尚美觀、微型化、無線化、標準化、產業化、安全可靠及智能的。

（1）時尚美觀化。目前的智能可穿戴醫療設備往往注重功能的實施，在時尚美觀方面相對有所欠缺，未來的智能可穿戴醫療產品將更加時尚化、美觀化。

（2）低功耗、微型化、柔性化。目前智能可穿戴醫療系統耗電量較大，而相關技術有所欠缺，隨著納米材料及柔性傳感器的不斷開發，低功耗、微型化、柔軟化成為一種必然趨勢。

（3）無線化。無線化可減少可穿戴醫療裝置的體積，人體穿著時會更加舒適，符合“一人為本”的理念。

（4）數據傳輸協議標準化。可穿戴醫療設備在與其它智能設備進行數據交互傳輸時缺乏統一標準，只有統一兼容的數據傳輸協議才能實現數據更好、更快的傳輸。

（5）信息技術安全化。可靠、安全的可穿戴醫療設備才能建立公眾信任，在拓寬使用范圍后才能發現并解決更多潛在的問題。

（6）產業化。產業化是可穿戴醫療設備成熟的必然趨勢，只有在醫院、技術、數據等方面都相對成熟后，可穿戴醫療設備才能普遍被接受，從而實現產業化。

六、結語

智能穿戴醫療設備屬于融合了醫療與智能可穿戴的新興產物，旨在開發一種全新智能的醫療健康方式，并且能夠隨時隨地監測人體狀況，彌補我國老齡化、醫療資源缺乏且分布不均的現狀，但由于技術、能源等問題，智能可穿戴醫療設備目前仍處于初級階段，隨著新技術、新能源的不斷發展，智能可穿戴醫療產品在不久的將來會產生重大突破，集時尚美觀、微型、柔軟、安全可靠等性能于一身，希望能成為一項改變人類醫療健康方式的新技術，并實現產業化，為大眾普遍接受，從而為我國的醫療健康事業做出更多貢獻。

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Features, Key Technologies and Applications of Smart Wearable Medical Devices and Clothing

LUO Lin-lin, GONG Xia-hui

(School of Textile and Footwear, Liming Vocational University, Quanzhou fujian 362000, China)

In view of the aging of the society and the “sub-health” phenomenon of the masses, this paper introduces the research results and application of smart wearable medical care at home and abroad in recent years, and summarizes the main features and architecture of smart wearable medical care.. The application of Smart wearable medical and the application of the scene were analyzed. The paper analyzes the shortcomings and development trend of Smart wearable medical in technical field, industry standard, safety privacy and function. The analysis results show that the Smart wearable medical which can meet the needs of the market and consumers should be fashionable and beautiful, Wireless, standardization, industrialization, safe, reliable and intelligent.

Smart wearable; medical; sensing technology; large data; application scenarios; market demand

羅琳琳（1990-），女，助教，碩士，研究方向：服裝設計與工程.

TP391

A

2095－414X(2020)03－0040－06