未来智库 > 可穿戴论文 > 【可穿戴技术及其在医疗中的应用】
    【关键词】可穿戴技术 医疗 网络技术
    一、可穿戴技术概述
    (一)可穿戴技术概念
    可穿戴技术(wearable technology,WT)是一种研究如何把科技功能整合到人们日常随身物品里面,并进行智能化设计,开发出符合用户要求和需求的穿戴设备的技术。最早是20世纪60年代由美国麻省理工学院媒体实验室提出的创新技术。利用该技术,可以把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入人们的衣物中,可支持手势和眼动操作等多种交互方式,主要探索和创造能直接穿在身上或是整合进用户的衣服、配件的设备。采用的形式可以是珠宝、太阳眼镜、背包等配饰,甚至是现实的服饰,比如鞋子或一件夹克。
    (二)可穿戴技术的核心技术
    (1)嵌入式操作系统技术。嵌入式系统诞生于微型计算机,是嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。由于町穿戴计算机系统的体积和存储空间十分有限,操作系统应尽量压缩到“专用”的程度,并提高实时性。这使得嵌入式操作系统成为必要,这类系统常常是实时的和微内核的,并具有极强的处理多外设能力。
    (2)无线自组网络技术。町穿戴计算机系统要伴随人的活动并作为一个移动节点随时联网,多个这样的节点构成一个特殊的网络,称之为自组网。在任何时刻、任何地点,不需要现有信息基础网络设施的支持就能快速构建起一个移动通信网络,它是一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳频、临时性自治系统。
    (3)数据库存储与分析挖掘技术。可穿戴计算机系统需要在移动中访问数据库,这类移动式的数据库管理技术将有别于固定的数据库管理。移动数据库具备以下特性:支持多种连接协议、完备的嵌入式数据库的管理功能、支持多种嵌入式操作系统。
    (4)人机交互技术。可穿戴计算机系统是一个人与计算机密不可分的集合体,因此人机交互技术是可穿戴计算机系统中的关键技术,它解决了人与计算机之间的交互问题,通过这种交互提高了对环境的感知能力。
    (三)可穿戴技术的特征
    (1)可穿戴。可穿戴设备是平台微型化、轻巧化、便携化、简约化,穿在用户身上,人与设备的物理和思维关系更紧密,特别是在荒漠、水下等严酷环境都能进行操作和使用。例如,智能纽扣照相机就能像一般纽扣一样穿戴在衣服上。
    (2)移动性。伴随着用户的日常活动,用户可随时操作。例如,会说话的智能鞋子,安置于鞋身各��部位的传感器可以收集鞋子的运动信息并发出俏皮的语音评论,与手机应用连接,你如果久坐不动,鞋子会告诉你:“好无聊的时间,你需要动起来。”
    (3)交互性。可穿戴设备在帮助用户获取所需手机数据的同时,将数据进行处理,并将数据结果以可视化的形式向用户进行呈现。例如,苹果i Watch可以拨打电话和收发信息,也可以播放音乐和Siri语音搜索。
    (4)集成性。用户身上的佩戴空间是有限的,可穿戴设备的需求是无限的。你不能把无限的穿戴设备全部挂在有限的身体空间上,多合一、具有丰富功能是用户的期待。加州大学圣地亚哥分校的研究人员创建了一次性的可嵌入传感器,可以分析一个人的汗水和唾液,进而改善人们的健康。
    二、可穿戴技术在医疗领域的具体应用
    近些年来,可穿戴技术的应用日益广泛,涉及的领域也越来越多。本文就可穿戴技术在医疗领域的具体应用进行详细阐述。
    (一)可穿戴设备在测量及监护上的应用
    (1)心脏监护。心脏检查方法主要分为侵入式检查和非侵入式检查。侵入式检查方法监测虽然结果准确度高,但会给患者带来一些创伤,并不适合家庭使用;非侵入式检查主要是通过心电图(Electrocardiogram,ECG)方法进行检测,主要包括常规心电图与Holter动态心电图,此类方法无创伤,能较为准确地判断心脏的生理功能,监测结果准确度比较高,然而常规心电图方法只能记录短时间心电信号,Holter动态心电图存在穿戴舒适度较低,难以做到长时间监测的缺陷。
    翟红艺等研制一款监测心电异常的可穿戴镀银织物,克服了传统上通过导联线来检测的缺点,采用织物电极以及连接导线的衣服来记录心电信号。Vitaleonneet公司研制可贴式心脏监护仪设备Heart Patch,用户通过贴附至胸部便可检测出心率、体温、运动参数等八项指标测量。此外,对于可能存在心脏骤停风险的患者,ZOLL公司研制的可穿戴式除颤器Life Vest能帮助患者监测心律失常等情况,并且对于遭受严重心脏病发作的患者可以进行紧急除颤,病人出现丧失意识情形时,设备通过电击让患者恢复正常心律。
    (2)睡眠监护。睡眠是帮助人体恢复机能最直接方式,良好睡眠对人们保持充沛精力有着积极作用。随着人们生活节奏加快、社会压力骤增,睡眠问题已经成为了影响人们生活与工作一大因素,如何改善睡眠质量,加强睡眠监护成为人们关注的热点。
    浙江大学的胡裕轩设计了一款功能相对简单,适用性更广的便携式睡眠监护仪。他发现脑电、下颌肌电、眼电信号适合作为睡眠分期的标准;心电、血氧饱和度、呼吸脉搏波适合作为监测睡眠质量的标准。他通过6路EEG头皮脑电信号、2路眼电信号、2路肌电信号、3导联心电、指夹式血氧探头以及胸腹部呼吸压力传感器检测以上6种信号,储存于便携可穿戴式的存储设备中。实验表明,该设备可以很好地记录睡眠时的各项生理数据,为分析睡眠质量提供了可靠依据。
         (3)精神压力检测。当下是一个高速发展的社会,由于种种原因,人们都在不懈地奋斗,生活节奏非常快。特别是,对于生活在一线城市的年轻人来说,每天都面临着来自各个方面的压力。研究表明,长期处于精神高压状态下的人,更容易患上精神疾病。由压力过大带来的各种问题已经成为办公室环境中的第二大问题。
    为了更好的记录日常生活中各种环境带来的精神压力,李延军等人采用约束负荷强度,实验时间等因素的方法,由牛津仪器的Medilog AR12可穿戴式心电图机采集ECG数据,后用Matlab处理得到HRV数据。实验样本为9人,平均年龄为25岁,让被测者由听轻音乐到读文章,精神负荷是一个逐渐增长的过程。最后分析HRV数据并和被测者主观感受比较,得到了生活中的压力和HRV的对应关系,从而有利于解决现代人的精神压力问题。
    (二)可穿戴设备在治疗上的应用
    (1)糖尿病治疗。随着生活水平的提高,人们的饮食结构发生了改变。每日吃的食物含糖量明显增加。但是,快节奏的生活,使得人们运动量不足,于是,健康问题就日益显现出来。其中,糖尿病及其并发症更为明显。据报道,目前中国糖尿病发病率高达9.6%,严重的需要注射胰岛素来维持正常的血糖含量,严重影响着患者的日常生活。
    日本的Naoyuki NAKANISHI等人基于Bio MEMS技术设计了一款手腕式胰岛素泵,通过长度为3.8mm、直径为100 μm的微针,轻缓地刺入腕下皮肤,病人不会感到疼痛。内置的玻电极血糖传感器通过电解产生内部气压变化,调整抽取血液和注射胰岛素的速率。血糖高则注射胰岛素,血糖低则注射葡萄糖,从而将血糖稳定在一个适当的范围内。
    (2)伤口感染检测及治疗。在美国,静脉溃疡等足下肢伤口感染带来的损失每年高达30亿美元,大约15%的糖尿病患者至少会有一个脚发生糖尿病足溃疡。而在欧洲,每年糖尿病足部溃疡的发病率在2.1%-3.6%。目前临床上治疗下肢静脉溃疡的方法主要有压力压迫等基础疗法、药物治疗和理疗等辅助手段、手术治疗等全面治疗。但是仍有研究发现,57%67%的下肢静脉溃疡病人没有得到系统、规范的治疗和护理。
    为了更好地检测并治疗下肢静脉溃疡等伤口感染,欧盟的第七科技框架计划中的SWAN-i Care项目使用可穿戴式负压设备对伤口进行治疗,加速伤口康复。该设备在膝盖旁捆绑一个负压治疗装置,使用可穿戴式传感器测量足底和足后部的血氧饱和度等指标,同时在伤口位置贴上具有检测伤口PH值、炎症蛋白含量、控制水盐平衡等功能的“敷料”。利用这个装置,患者可以不问断地监测伤口康复情况同时不用耽误日常生活。
    (三)可穿戴设备在康复上的应用
    (1)骨科康复。目前骨关节炎的治疗方法主要为基于运动疗法的康复治疗。运动疗法可使患者减少疼痛,增强关节功能和生活质量。然而多数骨关节炎患者不能长期遵守康复计划,从而影响和降低运动疗法的效果。Papi等开发了一种可穿戴式膝关节监测装置来监测骨关节炎患者的膝关节功能状态。
    多数骨科患者有异常运动模式。美国犹他大学的研究者发明了一种可穿戴式智能鞋,可以显著改善下肢骨折和髋关节置换术后患者的异常运动模式。
    手功能康复也是骨科康复的重要部分。Cempini等发明了一种可穿戴式外骨骼手,以改善患者的手功能,并且具有舒适性、耐磨性以及安全性高等特点。
    (2)帕金森病康复。帕金森病(PD)是继阿尔兹海默症之后第二常见的神经退行性疾病,患病率在发达国家估占整个人口的O.3%,在超过60岁的人中大约有1%。高患病率使更多的患者需要进行康复训练,临床上尚无较好的系统康复方法,多为护理人员根据病人的症状,辅助病人完成基本的行走、锻炼等运动。重复的操作让病人更适合使用无人监督的可穿戴式设备代替护理人员进行自我康复训练。冻结步态是帕金森患者经常出现的突然性行走�~步障碍。
    以色列的Sinziana Mazilu等人设计了一款帮助帕金森患者克服冻结步态的可穿戴装置“Gait-Assist”。它通过置于脚踝上的加速度传感器自动检测患者是否存在冻结步态。如果发生了冻结步态,装置通过蓝牙将状态信息发送给智能手机,手机接收到状态信息后通过耳机播放有节奏的声音提示帕金森患者迈出步伐,克服冻结步态情况。意大利的M.Ferrarin等人设计了一套可穿戴眼镜,眼镜左右两侧各安装一个7×10的LED阵列。通过安装在脚踝上的加速度传感器自动检测冻结步态,将检测结果无线发送给眼镜,眼镜控制相应迈步的脚一侧的LED发光,指示病人迈步。
    三、可穿戴技术应用展望
    现阶段,可穿戴技术大多数还只是停留在“可穿戴”上,比如穿戴在人的身体上或者安装在物体的某个部位,随着技术地不断发展,可穿戴技术在未来将向着可植入式、嵌入式方向发展。就像现在的RFID一样,可以嵌入在物体内部进行适时地监测。未来,可穿戴技术也有町能植入人体内,用于痛细胞的监测。目前,癌症的治疗在医疗上还存在着很大的缺陷。首先,癌症早期不易察觉和发现,这就影响了癌症的早期治疗。其次,当发现时,往往大多数都是处于癌症晚期,给治疗增加了难度。加上目前我国的针对癌症治疗技术水平有限,使得患者生还的几率很低。所以,未来可以针对癌症监测设计一款可植入人体的可穿戴技术,用于实时监测痛细胞的变化。一旦,癌细胞出现异常情况,可穿戴技术就会向身体发生“报警”信号,让人们第一时间知道自己的身体状况,及时的到医院进行就诊,避免病情的进一步恶化。
    另外,现在移动互联网的快速发展,产生了智慧家居、智慧物流、智慧城市等,那么,可穿戴技术在未来要想获得更大的发展空间,就应该搭乘互联网的顺风车。将可穿戴设备、医疗、互联网和大数据等结合,形成智慧医疗,更好的为人们服务。
    四、总结
    在医疗领域,可穿戴技术已经逐渐从应用研究走向了实际的应用。作为新型医疗设备,目前的可穿戴设备存在一些不足之处,比如动态测量条件下的信号可靠性,监测设备长期使用的舒适性、方便性,个人数据的隐私保护等问题。需要在新型传感技术、信号处理技术、芯片低功耗技术、电池供电技术等方面的持续创新,才能使得可穿戴设备能广泛应用到人们的日常生活中。移动互联网和大数据时代已经到来。可穿戴设备与移动互联网、大数据分析相结合,能够实现疾病的早期发现和早期诊断,降低个人和社会的医疗成本,有效提升个人的健康水平,必将成为未来技术发展的重要方向。
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