可穿戴设备在人体健康监测中的应用与发展现状-梅策香

•8•ELECTRONICSWORLD・探索与观察可穿戴设备在人体健康监测中的应用与发展现状咸阳师范学院物理与电子工程学院梅策香柳钰曾利霞【摘要】可穿戴设备主要功能是对体现穿戴者当前的身体状态的生理参数进行实时采集与统计，通过综合分析来对使用者进行综合的健康监测与运动规划，昀终实现人类对自身生理与心理状态的监测与智能调整，其研究将大大促进智能控制技术、医学等学科的发展。随着科技的不断进步和人们对健康的逐渐关注，智能可穿戴产品也渐渐被人们熟知，慢慢地走进了人们的生活。但可穿戴产品在续航能力、数据监测准确度、成本、安全、外观以及可携带性等方面还存在着许多的不足，限制了可穿戴产品的发展和普及。本文首先就可穿戴设备的智能设备形态、可穿戴式设备的分类及相关传感器、通信和电源管理技术进行综合论述，并且就健康监测技术的发展方向和消费需求分析了行业发展瓶颈，昀后对可穿戴式设备的发展前景与方向作了展望。【关键词】可穿戴设备；智能；健康监测1.概述可穿戴设备的思想和雏形是在二十世纪60年代由美国麻省理工学院媒体实验室提出，是指采用具有先进的功能、特点的技术[1]制造的可以佩戴在用户身上的产品和电子设备，可以用来记录整理日常生活活动或监测保护用户的身体健康状况。可穿戴技术主要探索和创造能够直接穿在身上、佩戴或镶嵌进用户的衣服或者整合配件设备中的科学技术[2]。随着电子产品的飞速发展，各种可穿戴产品也进入了我们的生活，其中，智能手环和手表等可穿戴产品已经被许多人们熟知。但可穿戴设备发展还存在许多的瓶颈，如：成本高、电池续航时间短、数据精度低、不能独立使用、功能不全等。本文利用嵌入式系统对智能手环进行了优化配置，设计了一款低功耗、高精度的智能手环。随着可穿戴式技术的发展和进步，未来可穿戴设备将以植入式、离体式设备为主。未来的可穿戴设备可植入人体，依靠人体自智能手环或手表类型的产品为主[5]，形成这一现象的主要原因是：（1）终端消费者已习惯使用手表；（2）智能手表的功能性和便携性更易得到消费者的肯定；（3）手腕有丰富的动静脉血管，可以监测各类体征如血压、心率与体温。所以，大部分的业内人士都把可穿戴设备放在了手腕上。但是，智能手环没有标准的配件和解决方案，也没有确切的行业标准。到目前为止，国内还没有形成完整的产业链。而且它设计制造的难度大于它本身的技术难度，导致产品的质量不能得到保证。2.2体征监控类智能手环的基本功能目前市场上的智能手环价格高低不一，外观外型也不相同，但是许多基本功能是一样的，主要区别仅在于采集数据的方式和算法的不同。但是从普遍功能上讲主要有四个主要功能[5]：（1）计步功能：利用3轴重力加速度仪，检测移动时所造成的颠簸来计算步数，然后根据一定的原理排除错误的计数从而得到昀终结果。图2.1所示为轴重力加速度仪的震动波峰波谷计数图。致谢：本工作为陕西省教育厅科研计划项目（项目编号：15JK1793）资助项目。图2.1轴重力加速度仪震动波峰波谷记数图[6]图2.2反射式心率测量监控电路功能模块图身的能量运行，而且可以检测人的心理参数并进行调节[3]。2.可穿戴设备的发展现状随着传感器技术的成熟、网络技术的日益进步以及高性能低功耗处理芯片的成功研发等，智能穿戴设备的种类也越来越丰富，功能也越来越强大，穿戴式智能设备已经从概念走进人们生活中，并使得大众可以普遍接触，渗透到了医疗、健身和娱乐等各个领域。据调查显示[4]，健康医疗是未来智能穿戴产品的发展方向。2.1可穿戴智能设备的产品形态目前市场上可穿戴智能产品以DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.20161019.002•9•ELECTRONICSWORLD・探索与观察（2）心率监测：使用反射型光电传感器，采集光电信号来监测计算脉搏血容量的变化，然后根据血液内物质的吸光度与浓度成正比的关系，计算反应出人体心率的基本参数，图2.2为心率测量监控电路的功能模块图。（3）体温检测：利用热敏电阻把温度的变化转换为阻值的变化，再用相应的测量电路把阻值转换成电压，然后把电压值转换为数字信号，再对数字信号进行相应的处理可得到温度值。图2.3所示为体温监测电路的功能模块图。（4）能量消耗、睡眠监测：传感器通过接触手腕，监测人的动作、心率状况和体动频率，计算获知受测者的睡眠状况与能量消耗，不同的产品的算法不同。2.3可穿戴设备产业发展存在的瓶颈（1）价格昂贵，虽然现在有许多的智能手环价格低廉，但功能单一，监测敏感度和准确度很低，而一些功能强大的可穿戴设备往往都价格昂；（2）电池续航时间短，待机时间短不止体现在可穿戴设备上，它是所有智能设备的软肋，目前还没有有效的技术在根本上解决这一难题；（3）适配性不好，不能独立使用或功能不全，需要与智能手机或其它智能设备连接，来进行数据的计算与处理；（4）安全性还有待研究，电子产品在使用中都会产生不利于人们身体健康的电磁辐射，在利用可穿戴设备进行网路交互时，也会产生电磁辐射。（5）产品外观相对单一，用户体验应当永远处于第一位，现在用户对产品的外观要求越来越高，但规模相对较小的科技公司只追求技术和功能，常常忽略了产品外观的设计。3.可穿戴式设备的分类可穿戴式设备的种类繁多，可以按照多种分类方式进行分类。本文根据它的功能和佩戴的位置对它进行了分类[7]。3.1按功能分类图3.1所示是可穿戴式设备按照功能分类的扇形分布图。从图中我们可以看出，目前的可穿戴式设备主要应用于医疗健康和运动健身领域。利用能够监测心电信号的可穿戴式设备监测用户在走路、跑步等活动中的心脏情况，可以预防心脏疾病。通过可穿戴传感器检测用户在运动时心率的变化、运动行走的步数以计算用户消耗的热量和卡路里，从而评估用户的身体健康水平，并且为用户量身制定一套合理的健身计划。3.2按佩戴位置分类图2.3体温监控电路功能模块图图3.2可穿戴式设备按照位置分类细分图图3.1可穿戴式设备按照功能分类细分图图3.2为将可穿戴式设备按照佩戴位置分类的扇形图。如图3.3所示，可穿戴式设备可以是穿戴在头、颈、手臂、手腕或手指的电子产品，也可以是镶嵌于衣服或鞋的电子设备[8]。从图中可以看出，可穿戴式设备主要佩戴在手腕处。主要是由于人们习惯了戴手镯或手表，而且手腕处的可穿戴式设备具有便携、功耗低以及体积小等特点。图3.3佩戴于不同位置的可穿戴式设备4.可穿戴式设备的相关技术可穿戴式设备的主要技术有传感技术、无线通信技术、电源管•10•ELECTRONICSWORLD・探索与观察理技术等，下面将对这些技术分别进行介绍。4.1传感技术可穿戴式设备的核心是传感器。主要分为生物传感器、运动传感器和环境传感器[7]，随着传感技术由嵌入式技术向微机电系统技术发展，传感材料逐渐由半导体材料向纳米、纳米硅材料过渡，传感器逐渐趋于微型化和智能化，从而促进可穿戴式设备逐渐向植入式发展。4.1.1运动传感器运动传感器包含有加速度传感器、地磁传感器、陀螺仪、大气压传感器等。它早已普遍地应用于各种可穿戴式设备和智能手机中，以实现：①检测横竖屏；②计步器；③双击应用（智能手机双击唤醒屏幕；智能手环或手表双击启动应用程序）；④震动检测；⑤手势识别等。4.1.2生物传感器生物传感器主要有心率传感器、血压传感器、血糖传感器、体温传感器等，用于采集人体生理信号，主要实现用户身体状况、病情的监测并及时报警，降低用户患病的概率。4.1.3环境传感器环境传感器主要包括气压传感器、温度传感器、湿度传感器、紫外线传感器、pH值传感器、环境光传感器、颗粒传感器等。4.2无线通信技术目前，可穿戴式设备中使用较多的无线通信技术[8]有：蓝牙、WIFI、ZigBee、NFC等。同时，可穿戴式设备使用的无线通信技术需要满足以下要求：体积小，灵活性高，组网方便，功耗低，辐射低，抗干扰能力强，安全性高等。根据可穿戴式设备所要实现的功能不同，可选择不同的无线通信技术，或将几种无线通信技术结合使用。图4.1具有发电和储能功能的自充电衣4.3电源管理技术受体积和充电时间的限制，电池是制约可穿戴式设备发展的一大瓶颈[7,9]，产品的待机使用时长差会使用户的体验较差。当前主流的可穿戴式设备的电池有两种，一种是需要使用者经常更换的高容量和高密度的一次性锂电池，这种电池电池的生产成低本；另一种是可以充电重复使用的电池，但储电量较低。另外，可穿戴式设备电池的充电方式除了传统的USB充电外，无线充电和能量采集充电也是当前备受关注的充电方式。无线充电是通过充电器与设备之间的电感耦合传送能量，实现设备充电；能量采集充电是指采集设备周围的能量并转换为可以采用或储存的电能，利用这项技术可以随时随地为可穿戴式设备充电。相信随着可弯曲电池的发展，很多充电方式将成为可能，而且具有合适的尺寸、足够长的续航时间、便捷的充电方式的电池将会在可穿戴式设备中使用。目前已经开发研究出了具有发电和储能功能的自充电织物，可以编织进毛衣、外套或者裤子等服饰。如图4.1所示，这种能源衣不仅穿戴舒适，而且可以弯曲。5.需求与前景据中国产业调研网发布的2016-2020年中国可穿戴设备市场深度调查分析及发展趋势研究报告显示，预计在未来几年中可穿戴设备行业的技术突破点与投资亮点将集中在以下三方面：（1）健康、运动及医疗产品。随着国民整体生活水平不断提高，对个人健康日益关注，健康、运动与医疗市场需求大增，可穿戴设备产品将可从中分羹，这是行业发展的市场需求与方向。（2）当前消费群体的偏向性主要集中在男性。一份调查显示，85%的智能硬件消费者为男性，女性对外观设计有高要求，因此早期难以成为行业目标受众，这也是行业平均水平限制。未来运动手环、智能皮带有较高市场潜力，同时具有优美外观与质感的产品也会吸引相当数量的女性消费群体。（3）能源问题的突破。众所周知，电池续航段是可穿戴设备产品一大痛点，电池续航与体积密切相关，而可穿戴设备产品往往被要求做小体积，这就使得续航与产品外观之间形成了矛盾。因此未来搭载高性能可弯曲的薄膜电池的产品能受到市场青睐。参考文献[1]孔彬.智能终端,决战网络“硬入口”[J].中国数字电视,2013(10):58-62.[2]王璐.情境中的智能设备用户体验——以可穿戴设备为例[J].大众文艺,2014(23):101-102.[3]苌飞霸,尹军,张和华,颜乐先,李姝颖,周德强.可穿戴式健康监测系统研究与展望[J].中国医疗器械杂志,2015,39(1):40-43.[4]毛彤,周开宇.可穿戴设备综合分析及建议[J].电信科学,2014(10):134-142.[5]马凯.可穿戴体征监控设备工业实现研究[D].苏州:苏州大学,2015.[6]赵晗.现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势[J].企业技术开发,2011,30(16):88.[7]蒋小梅,张俊然,赵斌,陈富琴.可穿戴式设备分类及其相关技术进展[J].生物医学工程学杂志,2016,33(1):43-46.[8]李永斌.可穿戴式智能血氧运动指环设计与研究[D].广州:华南理工大学,2015.[9]RICEJ,WATERST,KRAJCOVICJ.Wearablepowermanagementsystem:U.S.Patent8,796,888[P].2014-08-05.