智能可穿戴醫療產品及其相關技術的探索

張常斌

摘 要：本文介紹了智能可穿戴醫療產品的系統組成，用戶端及云端（后臺）的功能和工作原理，列舉了主要的人體生物指標和智能可穿戴醫療產品相關的傳感器的類型，給出了智能可穿戴醫療產品系統構架的模型，以及智能可穿戴醫療產品技術方面的短板。

關鍵詞：人體生物指標;傳感器;用戶端;云端（后臺）;無線通訊;人機交互

1.引言

隨著移動互聯網技術的的不斷發展，特別是無線通訊技術及網絡云技術的發展，傳統的醫療設備日益智能化，市場上也涌現出大量的智能可穿戴醫療產品。像大家比較熟悉的智能手表，智能手環，還有智能眼鏡[1]等產品。

2.智能可穿戴醫療產品系統組成部分

一個完整的智能可穿戴醫療產品系統至少包括兩個部分，用戶端和云端（后臺），

智能可穿戴醫療產品的用戶端就是和人體緊密結合的可穿戴的部分，就是把傳感器、無線通信、數據處理等技術嵌入到用戶的眼鏡、手表、手環、牙套、耳機、服飾及鞋襪等日常穿戴中或者采用直接貼膚的方式測量各項人體生物指標。

智能可穿戴醫療產品的云端（后臺）就是可以提供遠程協助的健康信息數據中心或者醫院的醫護系統。

3.智能可穿戴醫療產品的用戶端

智能可穿戴醫療產品的用戶端的組成一般由傳感器、無線通訊、數據處理、人機交互和供電等部分組成。它們之間的關系如圖1所示：

1）傳感器

傳感器是智能可穿戴醫療產品的最前端，它和用戶直接或者間接接觸，像觸角一

樣，采集用戶的人體生物信息。然后把采集到的人體生物信息傳送給數據處理部分進行處理。傳感器[5]的分類如下：

a）按照測量對象分為：體表溫度傳感器，體液分析傳感器（采集汗液中的水分子，葡萄糖氧化酶分子，酒精分子，電解質等），氣體傳感器，心電傳感器，心率傳感器，血氧飽和度傳感器，血壓傳感器，血糖傳感器。

b）按照測量原理分為：電化學生物傳感器，光電傳感器，壓力傳感器，霍爾傳感

器，角度/加速度/角速度傳感器， 超聲傳感器，GPS等。

c）按照佩戴的部位分為：表皮可穿戴生物傳感器（佩戴于頭部，腕部等身體部位

或者皮膚收集人體生物指標）、眼部可穿戴生物傳感器（與眼鏡結合，測試眼球移動）和口腔可穿戴生物傳感器（與牙套結合，分析唾液）。

d）主要的人體生物指標：心率（HR）、無創血壓（NBP）、有創血壓（IBP）、心電圖（ECG）、血氧飽和度（SPO2）、血糖（Glu）、呼吸（RESP）、脈搏（Pulse）、體溫（TEMP）等。

2）無線通訊

智能可穿戴醫療設備用戶端的無線通訊部分主要完成多傳感器之間或者完成用戶端和后臺（云端）之間的數字信號的傳輸，這類技術目前發展的比較成熟，可采用的技術也比較多，諸如4G/5G、Wifi、藍牙（BLE） 、Zigbee [3]等

3）數據處理

主要完成控制功能和算法功能，控制部分的功能就像人的大腦一樣，負責協調無

線通訊、傳感器測量和人機交互各部分的工作，算法就是對傳感器采集到的信號進行

運算，數字化的還原人體生物指標。

4）人機交互

智能可穿戴醫療設備用戶端的人機交互部分的形式比較多樣，主要方式有LED指示燈、LCD顯示屏、觸摸屏、語音互動、文字輸入、手勢感應等，主要完可穿戴醫療設備用戶端和用戶之間的信息交流，直觀且準確的讓用戶了解自身的身體狀態。

5）供電

智能可穿戴醫療設備用戶端的供電部分一般會配備一塊便攜電池，可充電的便攜電池可以通過手機、平板等便攜設備進行充電，也可以通過太陽能光伏充電，也可以搜集人體的生物能（熱能、動能、勢能）進行充電。

4.智能可穿戴醫療產品的云端（后臺）

根據應用場景的不同主要有兩種模式

1）基于云端健康數據中心的人機互動模式，該數據中心存儲有成熟的醫療方案和基礎健康研究數據，還建立有用戶的健康檔案，并同步更新。數據中心的智能診斷系統對用戶的新老健康數據進行對比分析，按照醫生量身定制的健康計劃及時向用戶推送身體的狀態和健康建議，同時，數據中心也可以向值班醫生報告用戶的身體狀態。健康信息數據中心可以搭建在公共平臺的云端服務器之上，如阿里云，騰訊云，百度云，華為云[1]等，也可以搭建在醫院自有的云端服務器之上。

2）基于互聯網+多媒體的人工后臺模式， 這種模式是利用互聯網和多媒體技術實現用戶和醫生遠程實時互動，醫生通過視頻方式，音頻方式，文字方式實時了解用戶的身體健康參數和情緒狀態，對用戶進行遠程的視頻、音頻或者短信推送方式的健康指導，同時，用戶也可以根據自己的感受向醫生咨詢專業的健康建議。像一些慢性病，如糖尿病，通過這種智能可穿戴醫療系統，用戶可以隨時知道自己的血糖數據，通過簡易直觀的人機界面就可以了解自己的身體狀況，合理的調整飲食、運動和作息。像一些急性病，如心臟病，后臺醫生會隨時觀察用戶的身體狀況，根據用戶不同的身體狀況，及時提醒，警示，甚至主動出診。

5.智能可穿戴醫療產品的系統構架

1）移動互聯網技術+便攜終端的模型（圖2）

2）移動聯網技術+以太網網關的模型（圖3）

醫院可以根據醫院自身的軟硬件條件選擇合適的系統構架，其中云端和人工后臺兩種模式可以同時部署也可以只部署其中的一種。

這兩種模型中用戶端的通訊工具可以使用用戶的智能手機，把用戶端的應用軟件直接安裝到用戶的手機或者便攜設備中。當然也可以開發定制的便攜用戶端。

6.智能可穿戴醫療產品的技術短板

智能可穿戴醫療產品近些年來飛速發展，但是真正實現產業化落地在技術方面還有一些需要提升的地方，具體有如下九個主要方面：

1） 提高測量精度和測量靈敏度;

2）提高可靠性，能適應室內和室外的多種工作條件，比如：防水性，耐高低溫，可承受顛簸和撞擊等;

3）減小體積和重量，提升外觀工業化設計水平，滿足用戶的審美需求;

4）降低功耗，增加續航時間;

5）簡化操作，友好的人機交互界面，特別要考慮老年人群的使用;

6）增強實時性，提高云端的數據中心和醫護系統的響應速度;

7）提高軟硬件兼容性，實現各廠家傳感器數據接口的兼容及云端數據的共享;

8）增強個人數據的安全性及隱私的保護;

9）跨越醫療行業標準和認證的技術壁壘。

7.結束語

智能可穿戴醫療產品作為智慧醫療的重要組成部分，越來越受到世界各國的重視，科技巨頭也紛紛加入智能可穿戴醫療設備及健康數據平臺的布局。另外，人口老齡化，疫情，慢性病的護理， 緊急情況的處理以及醫療資源的不平衡[2][4]等原因都促使醫療行業向更智能化的方向發展，智能可穿戴產品因為可以和用戶全天候接觸，可以獲得大量用戶健康數據和行為習慣，是智慧醫療獲取信息的重要入口，如果在商業模式上取得進一步的突破，未來發展前景十分可期。

參考文獻：

[1]謝俊祥，張琳. 智能可穿戴設備及其應用.中國醫療信息.1006-6586（2015）03-0018-06.

[2]可穿戴健康醫療設備前景廣闊. 健康管理. 2014 02

[3]文棟，雷健波. 可穿戴設備在醫療健康領域的應用與問題綜述. 中國數字醫學.? 1673-7571.2017.08.009

[4]嚴春美，呂曉榮，許云紅. 移動醫療服務技術研究進展與發展前景. 2013 年第32 卷第2 期傳感器與微系統

[5]向飛 ，劉洪濤 ，張秋京，張燕清，趙建軍，徐峰.可穿戴醫療設備技術發展分析.中國醫療器械信息.1006.6586（2016）09.0006.06