互聯網時代的弄潮兒 ——可穿戴醫療設備

技術、能源採集與存儲技術和大數據分析技術等方面，綜述了可穿戴醫療設備關鍵技術的最新進展，並分析了該領域未來的趨勢和面臨的挑戰。

2014年被譽為「可穿戴設備元年」。在這一年的通信界頂級盛會——世界移動通信大會（MWC）上，眾多智能可穿戴設備驚艷亮相。三星Gear2智能手錶、索尼SmartBand智能手環、華為TalkBand B1智能手環等，爭相走入消費大眾的視野，預示著可穿戴設備的爆發與普及。科技巨頭蘋果公司於2014年發布了旗下的可穿戴設備——Apple Watch，並於2015年正式上市。該產品除具有打電話、接收簡訊等基本通信功能外，更具備健康和運動追蹤功能。市場研究機構Transparency Market Research在2014年的研究中表明，醫療是可穿戴設備最具前景的應用領域（其次還可用於健身和娛樂），Ahadome預測醫療在智能可穿戴設備應用中的佔比可超過50%。

什麼是可穿戴醫療設備？廣義上講，可以理解成具有臨床（健康）監護或者治療（保健）用途的隨身衣物和配飾。這種以衣物或配飾為存在形式的新型醫療設備，融合了當前最先進的材料、感測、電路設計、信息傳輸和處理等前沿技術，力求在實現特定醫療功能的同時給人們提供最舒適便捷的用戶體驗，徹底顛覆了消費者對傳統醫療設備的認知。這種充滿時尚氣息甚至科幻感的醫療設備，是各領域新興科技飛速發展后誕生的寵兒。各種不同功能的高性能材料，以編織、印刷、刺繡等各種方式融入衣物和配飾，構成了可穿戴設備中最關鍵的部件，即感測生物信號的高靈敏度柔性感測器，處理生物信號的柔性電路板、傳導生物信號的舒適導電纖維，還有採集太陽能、人體機械能等綠色能源的高效供能模塊。新型的材料技術、高性能感測器設計技術、低功耗的電路設計技術、安全有效的無線信息傳輸技術及高效的能量採集與存儲技術，這五大技術共同構成了可穿戴醫療設備的核心技術（圖1）。本文將通過闡述這幾項技術的發展，讓讀者了解可穿戴醫療設備的現狀和未來。

圖1 可穿戴醫療設備及五大關鍵技術

可穿戴醫療設備的關鍵技術

可穿戴材料。新型導體和半導體材料的發展為可穿戴醫療設備的設計提供了新的動力，例如導電高分子聚合物、金屬和金屬氧化物的納米粒子、碳基納米材料等，這些材料在具有良好導電性的同時，又具有很好的機械特性，其製作成的導電織物具有柔軟、輕薄、易拉伸變形的特點，非常適合於可穿戴醫療設備。可穿戴材料技術貫穿於整個可穿戴技術，無論是感測器的設計還是電路的製備，都離不開高性能的材料。

ZnO

ZnS

具有結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制，比表面利用率可達100%

Chun

140%

20 S

cm-1

2

3

圖2 印刷電路

圖3 導電織物材料

Cityzen sciences開發了一款關注身體健康的智能襯衫D-Shirt（圖4），襯衫纖維中的感測器可以監測運動、心率、速度、呼吸方式、GPS定位等數據。這款襯衫的關鍵不在於衣服本身，而在於編織在衣服中的導電纖維；Radiate Athletics團隊開發的Radiate是一款能夠幫助運動者監測身體特定部位或肌肉群的訓練情況的運動T恤（圖5），能即時感應運動者身體各部位所散發的熱量，並通過顏色的變化來傳遞信息，讓運動者隨時了解肌肉及血管得到的鍛煉情況；在Hexoskin公司開發的一款運動背心（圖6）中集成了生物感測器，可以測量心率、心率變化/恢復、步數、卡路里消耗和呼吸等數據，夜間還能追蹤睡眠和環境，包括睡覺的姿勢及心跳和呼吸活動。

圖4 D-Shirt

圖5 Radiate

圖6 Hexoskin

穿戴材料技術的發展，不僅在功能上實現了人體各種生理信號的採集，而且在穿戴的舒適性上也取得了很大的提升，這也為新生兒的健康監測提供了新的思路。體質較弱的新生兒，尤其是具有先天性疾病的嬰兒，出生后的一段時間內必須要實時監測其身體狀況。新的輕薄柔軟導電織物的出現，非常適用於設計嬰兒的可穿戴醫療設備。柔軟輕薄的導電織物不會對嬰兒的身體造成傷害，同時可實現各種生理參數的實時檢測，例如心電、體溫、呼吸等（圖7）。

圖7 胎兒可穿戴醫療設備

感測器技術。穿戴醫療設備監測的各種生理信號和生命體征都需要依靠強大的生物感測技術。因此，高靈敏抗噪的柔性感測器設計是可穿戴醫療設備的核心之一。隨著材料和電子科技的發展，可穿戴的生物感測器性能逐漸升級。從較為常見的監測心電的導電織物（圖8）、監測脈搏和血氧的光電感測指環、監測呼吸的壓電腰帶和胸帶、監測體溫的紅外線耳環等，到更為新穎的隨身「紋身」（鈉離子感測器，它通過監測佩戴者汗液中的鈉離子含量以通知佩戴者電解質的平衡情況）（圖9）等，可穿戴感測器向著更多的功能、更穩定的信號和更低的功耗方向不斷發展。石墨烯是近年來材料研究領域的熱點，首爾國立大學Dae-Hyeong Kim團隊發明了一種可監測並調節血糖水平的石墨烯腕帶（圖10），創造性地將石墨烯與金摻雜在一起，使石墨烯變成了可以檢測皮膚溫度和濕度、汗液pH和葡萄糖濃度的感測器，最終根據皮膚的溫度和濕度、汗液的pH值和葡萄糖濃度，綜合分析出血糖濃度。鮑哲楠等研究了一種基於微毛結構的柔性壓力感測器（圖11），該感測器對於脈搏跳動帶來的壓力變化有很強的放大作用，因此可以很好地檢測人體脈搏信號，同時由於該感測器超輕超薄，可以在不影響人體運動的情況下長時間佩戴，非常適用於可穿戴醫療設備。麻省理工大學和新加坡科技與設計大學的團隊研究出一種高順應性的碳納米管纖維彈性應力感測器（圖12），具有超過900%的拉緊程度及高靈敏度和響應速度，用於手套褲襪等衣物上可以很好地檢測人體運動狀態，具有很大的應用潛力。

圖8 心電電極

圖9 紋身感測器

圖10 石墨烯腕帶

圖11 基於微毛結構的柔性壓力感測器

圖12 碳納米管纖維彈性應力感測器

無線數據傳輸。可穿戴醫療設備採集到的人體生理數據是海量的，同時，設備本身舒適便攜的需求使其前端趨於微型化。因此，必然要將可穿戴終端採集的數據上傳至電腦等處理器或者移動互聯網的「雲端」進行海量計算，其計算結果又需要傳至可穿戴終端反饋給用戶，而高效安全的無線傳輸技術則是這種服務模式的保證。目前使用較廣泛的無線通信技術主要有：Wi-Fi、藍牙、ZigBee、紅外等，其中，藍牙和ZigBee常被用作可穿戴醫療設備的數據傳輸方式。ZigBee協議具有功耗低、成本低的特點，尤其是低功耗的特點非常適合於可穿戴醫療設備，據估計，使用ZigBee的設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月以上的使用時間，缺點是傳輸速率較低。藍牙傳輸協議具有速度快、功耗低、安全性高的特點，而且藍牙模塊已經成為目前市場上主流智能移動設備（例如手機、平板等）的必備功能模塊，使用藍牙傳輸協議的可穿戴醫療設備可以方便地與智能移動設備進行數據傳輸。

隨著導電織物技術的發展，一項新的技術——可穿戴天線得以發展，在結構上更加小巧、便攜，並且柔軟可彎曲，非常適合於可穿戴數據無線傳輸。Katholieke Universiteit Leuven（比利時天主教魯汶大學）和Universiti Malaysia Perlis（馬來西亞玻璃市大學）的學者首次開發出一種完全由織物構成的電線（圖13），其結構小巧而且具有很強的魯棒性，可以用於2.45 G和5.4 G雙波段的無線傳輸；Patria公司是一個從事織物天線研究的公司，該公司開發了一種由傳統或工業織物製作的織物天線（圖14），其導電天線部分由流行的導電纖維製成。

圖13 織物天線結構

圖14 Patria 公司的織物天線

電路設計。無論是感測器還是織物天線，都需要通過電路連接成為一個整體后，才能使可穿戴醫療設備具備其應有的功能，電路設計是可穿戴醫療設備功能實現的重要保障。同時，良好的電路設計也是決定可穿戴醫療設備能否實現便攜、可穿戴的重要因素之一。傳統的印製電路板（printed circuit board，PCB）電路設計採用的電路板通常是由玻璃纖維等材料製成，材質硬、厚度和體積等較大，尤其是對於複雜的可穿戴醫療系統，電路設計較為複雜，將傳統的電路板縫製在衣物上會顯著地影響穿戴的舒適性，對信號採集的質量也會帶來一定的影響。F-PCB（planar fashionable circuit board）是一種電路板製版的新技術，其底板由織物製成，通過絲網印刷技術將電路印刷在織物底板上，集成電路元件放置在織物底板上並通過上面的導電纖維等導電材料進行連接，最後用不導電的環氧基樹脂進行封裝，製成穩定的電路系統（圖15）。F-PCB電路板基於導電織物製成，結構上柔軟有彈性，非常適合於可穿戴醫療設備。韓國科學技術院的研究者在該項技術的基礎上，基於導電織物製作出了多層織物電路板（圖16），將F-PCB技術又向前推進了一步。OLAE（organic and large area electronics）技術通過絲網印刷將將電子元件固定在柔軟的貼片上，並且採用導電黏合劑實現了多層電路板的設計，同時集成了低功耗藍牙模塊、加速度計、溫度感測器和濕度感測器等用於信號的採集和傳輸（圖17）。基於OLAE技術的另一種電路設計是將電路印刷在聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料上（圖18），通過彎曲易拉伸的電路連接各個電子元件，具有很好的柔軟性和彈性，可以很好地適應例如手腕等位置的固定。

圖15 F-PCB

圖16 多層織物電路板

圖17 可穿戴低功耗電子貼片

圖18 可彎曲拉伸的電路

能量的採集與存儲。可靠和持續的電量供應是可穿戴醫療設備發揮其優越性能的前提。目前絕大多數可穿戴醫療設備採用鋰電池供電。要提高整個系統的續航能力，必須增大鋰電池的容量，但電池的體積和質量都會增大，可穿戴醫療設備的便攜性就會受到影響。鋰電池技術的發展並沒有像整個可穿戴行業發展得如此迅速，甚至已經成為可穿戴技術發展的一個瓶頸，很多研究團隊開始研究其他能量採集與存儲的方式。

5.41%

Fe34

8.03%

flexible photovoltaic

FPV

19

圖19 使用FPV 供電的無線可穿戴設備

除了利用環境中的能量，另一種方式是將人體日常活動中的機械能（例如身體運動、肌肉拉伸、血壓等）轉化成電能。人體日常活動中的能量大部分通過熱量或者振動的形式散失掉，通過壓電材料的壓電特性可以將人體運動過程中對材料的壓力和拉力等轉化成電能。常見的壓電材料有納米半導體壓電材料、鈣鈦礦結構的納米壓電材料和壓電高分子聚合物等。王中林團隊研究了納米發電機（圖20），其研究的摩擦電納米發電機可以利用人體運動過程中身體各個部位之間的摩擦來產生電能，可用於驅動數百個LED燈以及給一些小設備的鋰電池充電。

圖20 摩擦電納米發電機

可穿戴醫療與大數據

隨著可穿戴技術的迅速發展，可穿戴醫療設備功能日趨完善，其採集的生理信息具有海量、多維、動態等典型特徵。已有研究證明，對這種有效生理信息的深入分析對於疾病的篩查、預測和診斷都具有十分重要的作用。因此，新的可穿戴醫療數據分析方案需要針對海量生理數據進行深層次的數據挖掘。大數據分析已經在互聯網領域嶄露頭角，各大互聯網商家都在利用大數據分析從海量的數據中提取有價值的信息為用戶提供更好的服務。谷歌

公司曾利用大數據分析演算法，根據互聯網用戶在谷歌搜索引擎中輸入的檢索關鍵字，預測新一輪流感病毒的到來，甚至可以具體到特定的地區，事實證明其預測結果十分有效。可見隨著數據量的增大，在人類生活的各個領域，大數據分析都將給人類帶來巨大的價值，可穿戴醫療領域更是如此。

目前針對於多種感測器信號的數據處理主要分為3方面：異常檢測、疾病預測和疾病診斷。其中異常檢測通常基於分類演算法進行異常身體狀態的分類，例如支持向量機、馬爾可夫模型和小波分析等；疾病預測有助於預防慢性疾病以及疾病的早期診斷，監督學習演算法被廣泛地應用於疾病的預測，其中的關鍵環節包括特徵提取、訓練及檢驗等；疾病的診斷需要儘可能全面地獲取人體的生理數據，通過對數據進行綜合的分析以期得到正確的診斷結果，常見的數據分析演算法有神經網路和決策樹等。

結論與展望

在移動互聯網時代，可穿戴醫療設備作為融合了醫療和可穿戴技術的新興產物，旨在以一種舒適便捷的方式，隨時隨地監護人體健康。隨著「雲」計算與大數據時代的到來，可穿戴醫療設備將能夠實現海量數據

的遠程處理，為疾病的預防與早期診斷提出有效的指導方案，從而有望解決現今社會醫療資源不足的現狀。目前的可穿戴醫療設備仍然存在一些不足，例如結構設計的舒適性、信號採集的穩定性、設備的功耗及數據的隱私保護等問題。但總的來說，可穿戴醫療設備現在正處在蓬勃發展的上升期，導電織物材料、感測器、電路技術以及雲計算和大數據相關技術的發展創新都為可穿戴醫療設備的發展提供了強大的推動力。隨著技術上的不斷創新與突破，可穿戴醫療設備穿戴舒適度將與正常衣物無異，並且能夠全天候監測人體各個部位的多種生理參數，通過網路上傳到「雲端」伺服器，結合大數據分析相關演算法進行數據處理，將用戶的身體健康狀況及時反饋給用戶，並給出預防措施和就醫指導，做到疾病的早發現早治療。

可穿戴醫療設備的技術研究跨越各個學科、各個領域，只有在各項技術上保持不斷創新，才能為可穿戴醫療設備的發展提供源源不斷的動力，提升個人健康水平。

致謝：本文完成過程中得到課題組成員馬建愛、張屾等的配合和幫助，特此致謝。

作者簡介：王玲，北京航空航天大學生物與醫學工程學院，講師，研究方向為生物醫學建模和信息處理；劉文勇（通信作者），北京航空航天大學生物與醫學工程學院，講師，研究方向為醫用機器人技術。

注：本文發表在2017年第2期《科技導報》，歡迎關注。本文部分圖片來自互聯網，版權事宜未及落實，歡迎圖片作者與我們聯繫稿酬事宜。

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