可穿戴式健康监测系统研究与展望

    摘要：可穿戴式健康监测系统即利用穿戴式生物传感器采集人体运动与生理参数，来实现对穿戴者运动与健康管理。穿戴式健康监护系统是具有无创连续检测人体生理信息、数据无线发送和实时处理功能的集成系统，能满足低生理、心理负荷条件下的生理状态监测。该文首先介绍了可穿戴式健康监护系统的构成及可穿戴式健康监护系统中应用到的相关技术，然后着重介绍了目前我们所做的与可穿戴式健康监护相关的研究工作，即穿戴式呼吸与心电采集以及多参数体域网的构建。最后，对未来可穿戴式监测系统发展方向提出了简单的展望。

　　0 引言

　　可穿戴式健康监测系统 ( Wearable Health Monitoring System, WMHS)是指利用穿戴式生物传感器采集人体运动与生理参数，来实现对人体非介入、连续无创的诊断监测以此帮助穿戴者实现对运动与健康管理。该系统普遍具有生理运动信号检测和处理、信号特征提取和数据传输及分析等基本功能模块。其中生理运动信号检测主要获取的人体信息包括：第一是体外数据采集，主要通过带G-sensor的三维运动传感器或GPS获取运动状况、运动距离和运动量，来帮助用户进行运动和睡眠的管理； 第二是通过体征数据(如心率、脉率、呼吸频率、体温、热消耗量、血压、血糖和血氧、激素和BMI指数，体脂含量)监测来帮助用户来管理重要的生理活动。

　　可穿戴式生物传感器系统健康监测的设计和开发在最近几年里引来了众多的关注，主要是由于医疗成本增加以及微型可穿戴传感器、智能纺织品、微电子学、和无线通信等科学技术进步的推动。可穿戴传感器为基础健康监测系统将对穿戴者的日常活动的影响降到最低，以期实现低生理、心理负荷下的个人健康管理和对病人健康状况实时监护。可穿戴式健康监测系统包括各种类型的生理检测传感器，数据传输模块和数据处理模块，并能因此提供全天低成本的健康、心理和行为状态监测而不引人注目。本文首先试图全面的介绍可穿戴式健康监护系统的构成及可穿戴式健康监护系统中应用到的相关技术，然后着重介绍目前我们所做的与可穿戴式健康监护相关的研究工作，即穿戴式呼吸与心电采集以及多参数体域网的构建。最后，对未来可穿戴式监测系统发展方向提出一些简单的展望。所以对于可穿戴式健康监测系统的开发设计具有一定的借鉴意义。

　　1 可穿戴式健康监护系统体系统框图

　　目前，可穿戴健康监护系统的研究模型主要分为基于微处理器和定制平台的可穿戴式健康监测系统；基于智能纺织品的可穿戴式健康监测系统；基于体域网的可穿戴式健康监测系统；基于商业蓝牙传感器和手机的可穿戴式健康监测系统；其他类型的可穿戴式健康监测系统。无论哪一种研究模型的可穿戴健康监测系统通常都由三个模块组成如图1所示的可穿戴式健康监护系统体系框图。

　　图1 可穿戴式健康监护系统体系框图

　　Fig.1 The diagram of wearable health monitoring system

　　可穿戴式健康监测系统的三个模块即前端的生理及运动信息采集模块、中间的通信模块以及数据分析模块。前端的生理及运动信息采集模块主要由一系列可穿戴式传感器采集人体的生理及运动信息；然后由通信模块将采集到的信息发送到中心节点或远程监护站点；最后远程监护站点根据采集到的生理及运动信息利用数据分析模块获取与临床相关的生理、病理信息。

    2 可穿戴式生理参数检测关键技术

　　2.1 传感器技术

　　传感器技术主要解决的是传感器及采集模块如何获取人体的生理与运动参数。

　　目前，微电子学、MEMS以及电子智能纺织品等相关技术的发展对传感器技术起到了革新作用。微电子学领域的发展可以使穿戴式设计者设计出集成感知能力、前端放大、微控制器、无线发送等功能模块的更小型电路。

　　MEMS制造工艺的进步，使得更多的微型惯性传感器可以用于人体活动及健康状态的监测。采用MEMS批量制造技术，可以使传感器的成本与尺寸得到显著减少。 结合微电子技术，可以把更多的处理电路、微控制器和无线通信电路集成到一个芯片上。

　　电子智能纺织品是一种基于电子技术，将传感器、通讯、人工智能等高技术手段应用于纺织技术而开发的新型纺织品。目前基于智能纺织品的可穿戴式健康监测系统不仅可以检测人体的呼吸、心率、心电等体征参数，甚至可以无创的检测人体的血糖、体液PH等人体生化参数。且基于材料科学的进步可以使基于智能纺织品的可穿戴式健康监测系统集成更多的生理参数传感器。

　　2.2 通信技术

　　传感器及采集模块采集的生理与运动信息如何传输到中心节点或者远程医疗监护站点。所以，可穿戴式健康监护系统中的通信主要实现两个任务： (1)把生物传感器采集的生理信号传输到系统的中心节点； (2)可穿戴健康监护系统到远程医疗监护站点或医生手机。对于穿戴健康监护系统到远程医疗监护站点或医生手机目前可以采用WLAN、GSM、GPRS、4G无缝接入网络来完成。互联网有更高数据传输率，从而更有效地促进需要实时测量收集在远程位置的佩戴式健康监护器系统。

　　对于把生物传感器采集的生理信号传输到系统的中心节点可以利用现有的近程无线通信技术来实现。目前可穿戴式健康监测系统存在的近程无线通信技术主要有Zigbee、Bluetooth、IrDA、MICS等，其中Zigbee和Bluetooth技术在穿戴式系统中具有低功耗、低成本、理想的传输距离等应用技术优势。而随着目前智能手机的普及且都集成蓝牙模块，而且其计算和存储能力逐渐，对于人体连续实时监测成为可能。同时，智能手机应用于可穿戴式健康监测系统中作为信息网关将采集到生理信息发送出去，能够简化穿戴式健康监测系统与因特网Internet之间的通信，从而采集的生理数据传输变得更加迅速高效，并且可以通过智能终端实时监测病人的生理状态。另外它集成的GPS追踪系统可以很快确定危险病人的位置。所以选择蓝牙传输生理信号是设计人体生理信号采集系统的首选。

　　2.3 数据分析技术

　　数据分析技术主要解决的问题是临床根据传输来的生理与运动参数，以及如何获取与临床相关的信息。在可穿戴式设备的数据信息处理中涉及信息的采集、存储以及收发等环节；涉及信号处理、模式识别、数据挖掘等人工智能方法；涉及云计算技术、大数据处理技术等诸多技术门类。所以，在实际的可穿戴设备中，需要将数据分析的环节、方法、技术等进行有机的结合，以更好的满足用户对数据信息处理的要求，更好的提升用户体验效果。哈佛大学Paolo研究组和Norwegian大学Rolf研究组将矢量量化、投影算法和各种不同情况数据分类算法等数据挖掘技术应用于工作劳累引起的肌肉性疼痛患者的生理情况监测中，并取得较好的效果。此外，可穿戴式监控监护系统中还涉及人机交互技术，电池续航能力等相关技术。

　　3 可穿戴式健康监护系统研究

　　目前，可穿戴健康监护系统的研究模型主要分为基于微处理器和定制平台的可穿戴式健康监测系统；基于智能纺织品的可穿戴式健康监测系统；基于体域网的可穿戴式健康监测系统；基于商业蓝牙传感器和手机的可穿戴式健康监测系统；其他类型的可穿戴式健康监测系统。在这几种研究模型中，我们主要研究了基于智能纺织品的可穿戴式呼吸检测、基于商业蓝牙和智能手机的心电监护以及基于体域网的人体多参数检测。

　　3.1 基于智能纺织品的呼吸信号检测

　　目前，可穿戴式呼吸监测主要方法有口鼻气流法、电阻抗体积描记和感应体积描记技术。口鼻气流法的传感器佩带不方便，对穿戴者的日常行为习惯会造成一定干扰；电阻抗体积描记不准确而且易引入运动伪迹；而感应体积描记技术是目前认为最准确、简单、易穿戴的方法。而基于智 能纺织品的呼吸信号检测采用的是基于PVDF制作的HXB-2型呼吸波传感器如图2所示。本传感器为压电式胸带（或腹带）固定式呼吸传感器，可用于无损伤检测人或动物的呼吸波运动波形。使用方便、可靠、灵敏度高、耐用，且可以通过编织物融合到衣物中。

　　图2 HXB－2型呼吸波传感器

　　Fig.2 HXB-2 respiratory wave sensor

　　基于智能纺织品的呼吸信号检测系统的整体设计框图如图3所示，该系统主要由呼吸信号采集处理模块、微处理器控制模块、蓝牙通信模块以及电源模块等组成。

　　图3 基于智能纺织品呼吸信号处理框图

　　Fig.3 The block diagram of respiratory signal processing based on the E-textiles

    根据呼吸信号和HXB-2呼吸波传感器输出信号的特点，传感器采集的呼吸信号是一个微弱毫伏级别信号。为了完成对呼吸信号的线性放大及阻抗匹配，首先经过前置差分放大电路进行放大且消除抗共模干扰；然后分别通过一高通和低通滤波器滤除呼吸信号以外其他信号干扰例如肌电的干扰等；最后经过后置放大电路把呼吸信号放大到适合A/D采样的电压范围。微处理器通过对采样信号进行分析处理并通过蓝牙将采集到的呼吸信号发送到PDA 或智能手机等手持终端。

　　3.2 基于蓝牙和智能手机的心电监护

　　基于目前智能手机可穿戴式健康监测系统中，智能手机可以作为信息网关、信息处理单位、GPS 追踪系统、存储与计算单元等在可穿戴健康监测系统中发挥着作用。在基于商业蓝牙传感器和手机的WHMS中，可穿戴式心电监护是最典型的应用。基于智能手机的可穿戴式心电监护系统如图4所示，心电采集模块导联方式选择为“单级心前导联方式”。 心电采集电极采用“纺织式”电极，可隐藏电缆线、可拆洗性、舒适性、安全性。

　　图4 可穿戴式心电健康监护设计框图

　　Fig.4 The block diagram of wearable ECG monitoring system design

　　基于智能手机的可穿戴式心电监护系统采用智能手机作为心电波形显示和数据处理的控制器平台，配以前端心电采集模块，组成心电采集与监测系统。该系统有体积小，功能性强，操作方便等特点，并且对穿戴者的日常生活行为不会造成任何的约束与干涉，对现有采用PC机作为心电波形显示和数据处理的控制器的心电检测和监护系统，该系统具有体积小，易携带性；另外对于一些直接采用单片机做处理器的心电采集和监护系统，该系统的功能较为丰富，数据存储量大，使用方便。

　　3.3 可穿戴式无线体域网系统

　　基于无线体域网WBAN（Wireless Body Area Network）的可穿戴式健康监护系统是以身体为中心，并集成生物传感器、医学电子学、多传感器分析与数据融合、人工智能、普适传感、无线通信和其他创新应用等多学科知识。可穿戴式无线体域网中的无线传感器生理信息采集节点可以和患者随身携带的终端如PDA 机、3G智能手机等进行通信，发送数据。同时，还能够通过Internet 或者手机通信网络等方式，向远程医疗服务中心进行数据的上传、备份、分析与反馈。另外，终端还能够对采集到的数据进行预处理，在发送数据的同时，对突发性疾病可以向患者的家属发出报警。

　　图5 可穿戴式无线体域网系统

　　Fig.5 Wearable wireless body network system

　　本文根据Wearable BAN对人体体征参数实时监测的优点，设计了人体的血压、指脉、皮肤电阻、呼吸和姿态5个生理参数的采集节点，同时采集节点利用可穿戴式的低负荷传感器实现对人体这5个生理参数的采集，采集到人体的体征参数之后通过蓝牙方式发送到个人服务器即PDA或3G手机，并随后通过互联网实现与远程紧急救助服务器、医疗数据库服务器、医生服务器等联网，保证了对病人实时情况的监测。

　　4 总结与展望

　　可穿戴式健康监测系统是指利用穿戴式生物传感器采集人体运动与生理参数，来实现对人体非介入、连续无创地诊断监测以此帮助穿戴者实现对运动与健康管理。该系统具有微型化、智能化（高级运算功能，适于不同工况）、个性化（多状态,多参数）、网络化（多种传输形式）、安全保密性(数据加密，内部网络传输,自主研发的定位系统）、舒适性（低生理、心理负荷）等优点。

　　未来可穿戴设备或可依靠人体自身能量运行。电池续航能力一直是可穿戴式设计的难点，要提高续航能力而不减少设备性能的情况下，那么设备的尺寸就必然有所增加。而未来可穿戴设备或可依靠人体自身能量运行；未来可穿戴设备或更多兼顾穿戴者的心理、情绪。未来可穿戴式健康监护设备不仅可以监测人体的体外、体征信息，而且可以根据采集紧张或是放松状态；未来可穿戴设备不仅是信息采集器，更是调节器。不仅可以单纯地检测到穿戴者的生理心理等参数，而且可以根据采集到的信息做出对人体活动的一些调节活动；未来可穿戴设备将出现更多的植入式、离体式设备。

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