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可穿戴电子设备在人类健康领域应用

发布时间:2018-07-11 01:06:00 文章来源:未来智库    
    关键词:可穿戴设备、微机电系统、健康诊断
    可穿戴电子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,更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能,可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的改变。可穿戴电子健康设备是把可穿戴技术应用于健康领域,对用于身体情况的检测、运动数据的统计及健康状况的改善的设备的统称。
    一、可穿戴电子设备技术结构
    可穿戴健康设备从技术上划分为以下三个层次:感知层、个人服务层、后台服务层。前两个层次“穿戴”在用户身上,用户成为系统的中心,第三个层次在物理空间位置上可能分隔较远,但在逻辑功能上却紧密地结合在一起。
    1.感知层
    感知层通过各种类型感知设备获取人体相关信息,交由数据预处理模块处理。预处理包括:A/D 转换、标示、封装等。由于人体相关生理参数和运动状态密切相关,因此监测用户的生理参数、并且“知道”用户处在何种运动状态下,可以区分人体是由于剧烈运动引起的生理异常或疾病引起的病理性生理异常,对准确判断用户的身体健康情况具有重要意义。由此,感知层应包括生理参数传感器、运动状态传感器。
    2.个人服务层
    个人服务层是可穿戴设备的数据处理中心,面向的人员是穿戴者,包括:生理信息诊断模块、运动状态与危险动作识别模块、历史运动状态与事件队列、决策模块、报警模块、人机交互模块。生理和运动监测模块对应不同的分类器,执行相应的分类算法,然后将该分类结果放入历史运动状态与事件队列中。决策模块从该队列中取出生理状态和运动状态进行判断。感知层和个人服务层的处理单元之间连接用短距离通信方式,如 Bluetooth、Zigbee;个人服务层和后台服务层之间的互联采用远距离通信技术,如 Wi-Fi、3G。
    3.后台服务层
    后台服务层是系统的数据处理和分析中心,面向的人员主要有系统管理者、医生。功能单元主要有系统管理模块、服务响应模块、数据存储与分析模块。服务响应模块对多用户数据进行分析、统计服务、个人用户的既定服务;系统管理模块对多个警报信息进行分类、识别、优先级处理,以便用户能得到实时的救助;数据存储与分析模块负责为各个功能模块提供数据支持。
    二、MEMS在可穿戴设备上的应用
    传感MEMS(微机电系统)与生物MEMS肩负着实时监测并收集反馈用户的日常位置信息、速度信息、方向信息,体征信息,借以完成LBS(基于位置服务)及体感健康舒适程度的测量收集工作功能,在可穿戴健康设备市场发挥重要作用。MEMS(微机电系统)以半导体技术为基础,将微电路及微机械按功能要求在芯片上进行集成,具有重量轻、体积小、能耗低、谐振频率高、响应时间短等诸多优势,易于批量生产及集成化,完全符合在穿戴式设备设计及应用上的需求。
    传感MEMS将通过压电、热电耦、谐振等敏感元件将物理信号转换成电信号,可以用来测量速度、压力、湿度、磁力等各种物理信号并转化为智能终端可识别的信号进行收集分析,常见的传感MEMS包括加速仪、陀螺仪、压感仪及温度仪等,是穿戴式设备中必不可少的器件。
    生物MEMS是通过微电子与化学生物微型分析和检测芯片或仪器制造,将驱动泵、微控制阀及检测器等元器件微缩在功能芯片上,分析用户的体征健康信息。生物MEMS常用于指纹检测、体征监测、血液测量及微型泵等功能,无论在健康方面还是在安全性方面生物MEMS都会对穿戴式设备产生重大影响。健康方面,通过生物MEMS的体征检测能帮助用户及时了解和认知身体情况,有助于预防疾病及其他健康问题的产生,也有助于医疗机构对于病人的实时监控及治疗,对于儿童及老人的监护照顾起到重要的作用,例如JawboneUP智能手环已经将能够检测用户的睡眠质量和睡眠时长,而微软测试的“Joule”智能设备,将心脏监测仪设计成腕带式,将可穿戴式设备与健康设备的融合程度推向了新的高度。在安全性方面,生物MEMS可以通过人体特征的检测对终端设备进行加密,相较于传统加密手段更难以破解、安全保障程度更高,而苹果就是此技术最好的践行者。
    可穿戴式健康设备按采集数据形式不同可分为两类:体外数据采集设备和体征数据采集设备。体外数据采集设备主要采集监测用户的运动距离、睡眠时间等,如监测用户步数和热量消耗的 Fitbit腕带,跟踪用户活动数据和睡眠质量的 iHealth智能手表等。体征数据采集设备主要采集用户的心率、呼吸频率、血压、血糖等数据,如 Cardionet 用来监测心律失常的 MCOTTM产品,Cardionet是美国市场上唯一能够给内科医生提供一套完整的心律失常监测服务的设备生产商。它的产品MCOTTM,通过一个可穿戴在身上的小型传感器为患者提供24小时的全天候监测服务。一旦有异常发生,患者的活动信息会被自动传输到公司的监控中心用以进行分析,并为患者的主治医生提供诊断和治疗管理所需要的日常报告或统计分析。Cardionet的优势在于设备便携穿戴以及背后的专业服务平台。
    三、可穿戴健康设备的优势
    可穿戴健康设备有以下优势:实现长时间的动态监测,提供全面的临床诊断数据;有利于寻找病因,实现防病和早期治疗;提升诊疗水平,持续跟踪患者情况。
    现阶段,多数可穿戴式健康设备还存在以下缺陷:设备检测精度离真正医用级别还有距离;设备借助蓝牙等无线连接方式将采集到的数据传输到智能手机,通过手机应用的模型进行数据分析,缺乏专业团队支持;医疗费用没有被保险涵盖。■
    参考文献
    [1]曹玉诊,蔡伟超,程杨. 基于 MEMS 加速度传感器的人体姿态检测技术[J]. 纳米技术与精密工程. 2010, 8(1): 37-43
    [2]张海进. 基于嵌入式的个人健康监护系统的研究与开发[D]. 电子科技大学(成都).2012
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