可穿戴设备在医院诊疗中的应用研究进展

韦 哲 薛 翔 吕克难

可穿戴设备在医院诊疗中的应用研究进展

韦 哲①②薛 翔②吕克难②

医疗健康设备正向着智能化和便携化的方向快速发展，可穿戴设备作为其代表，在医疗中扮演着越来越重要的角色，为此对可穿戴设备的发展历程展开论述，并对可穿戴设备进行定义。将现有的可穿戴设备按形态分为手部穿戴、头部穿戴、下肢穿戴及躯干穿戴四类，并对其在医疗中的应用进行详细的介绍，对可穿戴设备中时尚元素加入、专一某个领域、新的交互模式以及轻便无形这4个未来发展趋势进行相应的分析综述，以对当前可穿戴设备在医疗中的应用有一个全面的了解，并且能够把握可穿戴设备在医院诊疗中的发展方向。但从所列产品中可以看出国内厂商的技术水平较发达国家还有一定差距，在产品和算法方面还有很大的提升空间。

可穿戴智能设备；医疗健康；发展趋势

随着互联网行业以及微型电脑的不断发展，可穿戴设备愈发受到大众的青睐，从开始的谷歌眼镜(Google project glass)到今天的苹果手表(Apple watch)以及小米手环等，可穿戴设备逐渐深入到人们的日常生活，包括管理时间和轨迹、优化健康以及健身等各个方面，让互联网进一步融入到人们生活中的各个领域，其在医疗中的应用也愈加广泛[1]。

1 可穿戴设备的发展

可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件、IT支持以及数据交互、云端交互来实现其强大的功能。

2012年因Google project glass的亮相，被称作“智能可穿戴设备元年”[2]。在智能手机的创新空间逐步收窄和市场增量接近饱和的情况下，智能可穿戴设备作为智能终端产业下一个热点已被市场广泛认同。目前，谷歌、三星、苹果及英特尔等跨国公司，Jawbone、Pebble等创业型企业和国内的映趣电子、互爱科技等公司都在对可穿戴设备进行研究与开发[3-4]。发展到现在，可穿戴产品按形式分类为手部穿戴类、头部穿戴类、下肢穿戴类以及躯干穿戴类四类。

2 可穿戴设备的分类

2.1 手部穿戴类

目前，主流的手部智能可穿戴设备有智能手环和智能手表，其主要功能包括信息资讯的查询以及运动、医疗健康状态的显示(见表1)。

(1)智能手环。以小米手环为例，其可通过手机应用实时查看运动量，监测走路和跑步的效果，还可以通过云端识别更多的运动项目。小米手环还能够自动判断是否进入睡眠状态，分别记录深睡和浅睡时间并汇总，帮助用户监测自己的睡眠质量，且还具有智能闹钟唤醒等功能[5]。

表1 手部穿戴类产品

小米手环的计步功能由硬件和软件两部分组成：硬件方面是指小米手环里内置的三轴加速度传感器ADXL362，其采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样，通过这个三轴加速度传感器，手环就可以捕捉到其在使用中的加速度变化，从而生成数据[6]。软件方面是指软件算法，该算法是华米程序员根据三轴加速度实时捕捉到的3个维度的各项数据，经过滤波、峰谷检测等过程，使用预测敲击法等算法对数据进行处理，从而得到相应的步数数据，达到查看运动量的效果。

小米手环的睡眠质量检测功能是根据重力感应的检测为基础，通过加速度传感器和脉搏反射式传感器采得的数据融合分析得到人体运动状态，判定是否进入睡眠，并根据运动量的大小来判断睡眠程度的深浅，而这种睡眠的检测方法所得来的睡眠质量检测数据并不是非常准确，与专业的睡眠质量检测仪存在差距，但也具有一定的参考价值，而这种睡眠的检测，在医疗中有辅助作用，有助于医生了解患者的身体及心理状况。

(2)智能手表。智能手表与智能手环相比，具有更强大的数据处理与显示能力，并且可以自己安装Android/IOS系统，可进行打电话或者收发短信。智能手表也可以安装各种各样的APP来满足人们的其他日常需求，如对心率和步数的监测等[7]。此外，智能手表不仅能通过APP对人体的生命体征进行监测，同时还能通过APP对采集到的体征数据进行简单分析，同时配合远程医疗系统及智能手机，将采集到的数据传输到后方的医疗平台。这样，对采集到的数据不仅仅是APP的简单分析，更能通过后方的医疗专家对数据进行研究分析，从而及时发现监护人员身体各方面的不适，并对其实施远程医疗。

2.2 头部穿戴类

头部穿戴类的可穿戴设备主要有眼镜式和头盔式两种，其他形式如头箍目前尚未成熟，并未被广泛的使用。

智能眼镜的代表产品是Google project glass，该眼镜具备了拍照、视频通话及GPS定位等功能[8]。Google project glass的出现被许多人认为是智能可穿戴设备时代的开始，其在许多领域都有不错的应用，如远程医疗、辅助教学等。但是，Google project glass也存在着自身的不足，如用电量大且容易发热，外观很厚且不对称，拍照时必须保持水平，操作也没有描述的那么简单，而且价格高昂，所以并未被大众所接受。然而，经过近些年的不断发展，智能眼镜也有了新的技术突破，如影创科技公司的Air智能眼镜，搭载全息投影技术，该项技术的应用，可以让穿戴者在不同的场景应用中，感受最佳的场景体验(如图1所示)；再如爱普生的AR现实增强产品：Moverio BT-300智能眼镜，其重量很轻，并且左右两侧各装有一个SiOLED投影仪，可用于观看高清的2D和3D视频。但目前并未解决售价过高的问题，这也给智能眼镜走进大众的生活带来了不小的阻力[9-10]。

图1 谷歌眼镜(Google project glass)

虚拟现实头盔最先用于休闲娱乐中，如脸书(Facebook)旗下的Oculus公司推出的Oculus Rift头盔[11]。如今，随着智能头盔的不断发展，其应用已不仅仅是在休闲娱乐中，如LiveMap摩托车头盔，使用增强现实技术作为导航，街道名称、速度以及转弯方向都可以直接显示在使用者的周边，而不用把注意力从道路上转移。在停下来前，可弹出地图。同时，LiveMap智能头盔还包括与声音控制有关的麦克风和耳机。此外，像LifeBand智能头盔也能起到锻炼监测的作用，其主要检测心率和卡路里消耗。与传统的心率检测器不同，LifeBand不需要胸带，而是通过前额读取脉搏，这样可以使骑车锻炼的人们感到非常的舒服，该头盔可以通过蓝牙与智能手表或智能手机连接，来显示读数，如图2所示。

图2 LiveMap摩托车头盔

目前，由于价格过高的原因，头部可穿戴设备并未广泛普及，但其也有自己的优势，在医疗方面，头部可穿戴设备可以在不影响佩戴者身体活动的前提下，对心率等生理信号进行探测，有助于佩戴者在运动中关注自己的身体情况，可适用于病后恢复锻炼阶段[12]。

2.3 下肢穿戴类

下肢穿戴类设备常以鞋和袜等形式出现。有研究表明，在运动检测方面，智能鞋较其他部位的穿戴型设备的检测更加准确。目前，谷歌(Google)、耐克(Nike)及苹果(Apple)等公司都在努力研究用于运动检测和游戏娱乐中的智能运动鞋。Nike公司的智能运动鞋配置了加速传感器和陀螺仪，对可能引起受伤的动作发出警报(如图3所示)。

印度一家公司也推出了一款具有全球定位系统(GPS)功能的智能运动鞋，其能通过震动指引使用者行进的方向，可帮助眼睛有问题的人出行。

图3 三轴加速传感器检测示意图

智能袜子也很受青睐，如智能袜子Sensoria可以分析穿戴者脚部的受力情况，从而可以帮助佩戴者改进跑步动作，此外，该袜子还可以计算出跑步时的步幅、步频和步度等参数。由于下肢穿戴类设备可以辅助患者在下肢康复和评估健康方面起到很大的作用，所以下肢穿戴类设备在康复领域的应用非常广泛[13]。

2.4 躯干穿戴类

躯干穿戴类设备主要以衣服、腰带及胸带等织物的形式出现，并早在10年以前就有了智能衣服的概念[14]。当时由美国的VivoMetircs公司生产的Lifeshirt就可以对穿戴者的生命体征进行监控。但是，由于受到材料和工艺等诸多因素的限制，导致这个“shirt”看起来更像是一个救生衣，所以并未得到很广泛的应用[15]。

可穿戴产品的最终形式是衣服，这是行业内普遍认同的趋势。确实，没有比一套舒适、时尚的衣服更适合做随身科技装备的了。智能服饰的出现离不开布料的开发，如今日本的纺织企业东洋纺株式会社(TOYOBO CO，LTD)宣布开发出一种适用于智能服装的新型布料，并被命名为“COCOMI”，该布料呈薄膜状，使用导电材料和树脂，与其他布料相比更轻薄，更具有弹性。由于新布料使用了电子元器件的材料，所以能检测出更微弱的电流，而由这种布料制成的智能服饰不仅可以测量穿戴者的心率，还可以测量穿戴者的心电和呼吸次数。

3 可穿戴设备的发展趋势

3.1 时尚元素加入

时尚是对一种外表行为模式的崇尚方式，是一种在特定时间段内，率先由少数人尝试、预认为将来会被社会大众所崇尚和效仿的生活样式。时尚元素的加入，会加快可穿戴设备被大众接受的进程，从而促进可穿戴设备的发展。

3.2 专一于某个领域

由于可穿戴设备的穿戴特性决定了人们只有在“需要时才会使用”，而其移动性则在帮助用户做出决策、提供快捷入口时起到关键作用。所以可穿戴设备不会像智能手机一样，将重点放在功能的多样化、任务的多重化上，其定位不在于解决用户所有遇到的问题，而是集中某一个出发点。

3.3 新的交互模式

由于可穿戴设备视觉界面小、不易触控，因此目前的方案是通过外接设备或自身佩戴的传感器来检测人身体发出的信号与信息，再将获取的信息转换为特定的、与之对应的操作模式。而新的交互模式的应用，则会使人机交互变得更加便捷。如MYO神奇护腕是一款压力传感器，其通过检测肌肉运动与生物电变化来控制相关产品的可穿戴产品，配合手势引起的不同部位的肌肉变化，可以无限制地进行隔空交互。

3.4 轻便无形

轻便无形是可穿戴设备发展中最理想的形式，但电池问题一直未能彻底解决。目前，科学家正在研制一系列能够帮助摆脱外部能源，依靠人体产生的物质来提供电能的方法。如压电感应、人体与外界的温度差来产生电流或者可以用人体的汗液来为身体贴片提供能源。此外，导电油墨、导电纤维等新材料的出现与成熟，也可解决电线等障碍。

4 展望

通过对可穿戴设备的分类列举，同时对其在医疗设备中的应用做了相应介绍，并对可穿戴设备的未来发展趋势进行了预测。可穿戴设备由于其便携性与功能性，在医疗方面有其无可比拟的优越性，但从所列产品中可以看出国内厂商的技术水平较发达国家还有一定差距，在产品和算法方面还有很大的提升空间。人机合一的可穿戴设备必将从根本上改变人们在疾病的预防、治疗以及恢复阶段的现有医疗设备，随着科技的进步，相信更高效和更智能的医疗设备终将实现。

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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兰州总医院信息科 甘肃 兰州 730050

②兰州理工大学电信学院 甘肃 兰州 730050

韦哲,男,(1963- ),博士，硕士生导师，高级工程师。兰州总医院信息科、兰州理工大学电信学院，从事生物医学工程和信息工程研究以及医疗仪器及医疗信息系统的研制开发、科研、技术和管理等工作。