摘要：可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)即利用穿戴式生物傳感器采集人體運動與生理參數(shù)，來實現(xiàn)對穿戴者運動與健康管理。穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)是具有無創(chuàng)連續(xù)檢測人體生理信息、數(shù)據(jù)無線發(fā)送和實時處理功能的集成系統(tǒng)，能滿足低生理、心理負荷條件下的生理狀態(tài)監(jiān)測。該文首先介紹了可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)的構(gòu)成及可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)中應(yīng)用到的相關(guān)技術(shù)，然后著重介紹了目前我們所做的與可穿戴式健康監(jiān)護相關(guān)的研究工作，即穿戴式呼吸與心電采集以及多參數(shù)體域網(wǎng)的構(gòu)建。最后，對未來可穿戴式監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展方向提出了簡單的展望。

　　0 引言

　　可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng) ( Wearable Health Monitoring System, WMHS)是指利用穿戴式生物傳感器采集人體運動與生理參數(shù)，來實現(xiàn)對人體非介入、連續(xù)無創(chuàng)的診斷監(jiān)測以此幫助穿戴者實現(xiàn)對運動與健康管理。該系統(tǒng)普遍具有生理運動信號檢測和處理、信號特征提取和數(shù)據(jù)傳輸及分析等基本功能模塊。其中生理運動信號檢測主要獲取的人體信息包括：第一是體外數(shù)據(jù)采集，主要通過帶G-sensor的三維運動傳感器或GPS獲取運動狀況、運動距離和運動量，來幫助用戶進行運動和睡眠的管理； 第二是通過體征數(shù)據(jù)(如心率、脈率、呼吸頻率、體溫、熱消耗量、血壓、血糖和血氧、激素和BMI指數(shù)，體脂含量)監(jiān)測來幫助用戶來管理重要的生理活動。

　　可穿戴式生物傳感器系統(tǒng)健康監(jiān)測的設(shè)計和開發(fā)在最近幾年里引來了眾多的關(guān)注，主要是由于醫(yī)療成本增加以及微型可穿戴傳感器、智能紡織品、微電子學、和無線通信等科學技術(shù)進步的推動?？纱┐鱾鞲衅鳛榛A(chǔ)健康監(jiān)測系統(tǒng)將對穿戴者的日?；顒拥挠绊懡档阶畹?，以期實現(xiàn)低生理、心理負荷下的個人健康管理和對病人健康狀況實時監(jiān)護。可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)包括各種類型的生理檢測傳感器，數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，并能因此提供全天低成本的健康、心理和行為狀態(tài)監(jiān)測而不引人注目。本文首先試圖全面的介紹可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)的構(gòu)成及可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)中應(yīng)用到的相關(guān)技術(shù)，然后著重介紹目前我們所做的與可穿戴式健康監(jiān)護相關(guān)的研究工作，即穿戴式呼吸與心電采集以及多參數(shù)體域網(wǎng)的構(gòu)建。最后，對未來可穿戴式監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展方向提出一些簡單的展望。所以對于可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計具有一定的借鑒意義。

　　1 可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)體系統(tǒng)框圖

　　目前，可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)的研究模型主要分為基于微處理器和定制平臺的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于體域網(wǎng)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于商業(yè)藍牙傳感器和手機的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；其他類型的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)。無論哪一種研究模型的可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)通常都由三個模塊組成如圖1所示的可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)體系框圖。

　　圖1 可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)體系框圖

　　Fig.1 The diagram of wearable health monitoring system

　　可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)的三個模塊即前端的生理及運動信息采集模塊、中間的通信模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。前端的生理及運動信息采集模塊主要由一系列可穿戴式傳感器采集人體的生理及運動信息；然后由通信模塊將采集到的信息發(fā)送到中心節(jié)點或遠程監(jiān)護站點；最后遠程監(jiān)護站點根據(jù)采集到的生理及運動信息利用數(shù)據(jù)分析模塊獲取與臨床相關(guān)的生理、病理信息。

　　2 可穿戴式生理參數(shù)檢測關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 傳感器技術(shù)

　　傳感器技術(shù)主要解決的是傳感器及采集模塊如何獲取人體的生理與運動參數(shù)。

　　目前，微電子學、MEMS以及電子智能紡織品等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對傳感器技術(shù)起到了革新作用。微電子學領(lǐng)域的發(fā)展可以使穿戴式設(shè)計者設(shè)計出集成感知能力、前端放大、微控制器、無線發(fā)送等功能模塊的更小型電路。

　　MEMS制造工藝的進步，使得更多的微型慣性傳感器可以用于人體活動及健康狀態(tài)的監(jiān)測。采用MEMS批量制造技術(shù)，可以使傳感器的成本與尺寸得到顯著減少。 結(jié)合微電子技術(shù)，可以把更多的處理電路、微控制器和無線通信電路集成到一個芯片上。

　　電子智能紡織品是一種基于電子技術(shù)，將傳感器、通訊、人工智能等高技術(shù)手段應(yīng)用于紡織技術(shù)而開發(fā)的新型紡織品。目前基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以檢測人體的呼吸、心率、心電等體征參數(shù)，甚至可以無創(chuàng)的檢測人體的血糖、體液PH等人體生化參數(shù)。且基于材料科學的進步可以使基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)集成更多的生理參數(shù)傳感器。

　　2.2 通信技術(shù)

　　傳感器及采集模塊采集的生理與運動信息如何傳輸?shù)街行墓?jié)點或者遠程醫(yī)療監(jiān)護站點。所以，可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)中的通信主要實現(xiàn)兩個任務(wù)： (1)把生物傳感器采集的生理信號傳輸?shù)较到y(tǒng)的中心節(jié)點； (2)可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)到遠程醫(yī)療監(jiān)護站點或醫(yī)生手機。對于穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)到遠程醫(yī)療監(jiān)護站點或醫(yī)生手機目前可以采用WLAN、GSM、GPRS、4G無縫接入網(wǎng)絡(luò)來完成。互聯(lián)網(wǎng)有更高數(shù)據(jù)傳輸率，從而更有效地促進需要實時測量收集在遠程位置的佩戴式健康監(jiān)護器系統(tǒng)。

　　對于把生物傳感器采集的生理信號傳輸?shù)较到y(tǒng)的中心節(jié)點可以利用現(xiàn)有的近程無線通信技術(shù)來實現(xiàn)。目前可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的近程無線通信技術(shù)主要有Zigbee、Bluetooth、IrDA、MICS等，其中Zigbee和Bluetooth技術(shù)在穿戴式系統(tǒng)中具有低功耗、低成本、理想的傳輸距離等應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢。而隨著目前智能手機的普及且都集成藍牙模塊，而且其計算和存儲能力逐漸，對于人體連續(xù)實時監(jiān)測成為可能。同時，智能手機應(yīng)用于可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)中作為信息網(wǎng)關(guān)將采集到生理信息發(fā)送出去，能夠簡化穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而采集的生理數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，并且可以通過智能終端實時監(jiān)測病人的生理狀態(tài)。另外它集成的GPS追蹤系統(tǒng)可以很快確定危險病人的位置。所以選擇藍牙傳輸生理信號是設(shè)計人體生理信號采集系統(tǒng)的首選。

　　2.3 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

　　數(shù)據(jù)分析技術(shù)主要解決的問題是臨床根據(jù)傳輸來的生理與運動參數(shù)，以及如何獲取與臨床相關(guān)的信息。在可穿戴式設(shè)備的數(shù)據(jù)信息處理中涉及信息的采集、存儲以及收發(fā)等環(huán)節(jié)；涉及信號處理、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能方法；涉及云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等諸多技術(shù)門類。所以，在實際的可穿戴設(shè)備中，需要將數(shù)據(jù)分析的環(huán)節(jié)、方法、技術(shù)等進行有機的結(jié)合，以更好的滿足用戶對數(shù)據(jù)信息處理的要求，更好的提升用戶體驗效果。哈佛大學Paolo研究組和Norwegian大學Rolf研究組將矢量量化、投影算法和各種不同情況數(shù)據(jù)分類算法等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于工作勞累引起的肌肉性疼痛患者的生理情況監(jiān)測中，并取得較好的效果。此外，可穿戴式監(jiān)控監(jiān)護系統(tǒng)中還涉及人機交互技術(shù)，電池續(xù)航能力等相關(guān)技術(shù)。

　　3 可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)研究

　　目前，可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)的研究模型主要分為基于微處理器和定制平臺的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于體域網(wǎng)的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；基于商業(yè)藍牙傳感器和手機的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)；其他類型的可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)。在這幾種研究模型中，我們主要研究了基于智能紡織品的可穿戴式呼吸檢測、基于商業(yè)藍牙和智能手機的心電監(jiān)護以及基于體域網(wǎng)的人體多參數(shù)檢測。

　　3.1 基于智能紡織品的呼吸信號檢測

　　目前，可穿戴式呼吸監(jiān)測主要方法有口鼻氣流法、電阻抗體積描記和感應(yīng)體積描記技術(shù)?？诒菤饬鞣ǖ膫鞲衅髋鍘Р环奖?，對穿戴者的日常行為習慣會造成一定干擾；電阻抗體積描記不準確而且易引入運動偽跡；而感應(yīng)體積描記技術(shù)是目前認為最準確、簡單、易穿戴的方法。而基于智 能紡織品的呼吸信號檢測采用的是基于PVDF制作的HXB-2型呼吸波傳感器如圖2所示。本傳感器為壓電式胸帶（或腹帶）固定式呼吸傳感器，可用于無損傷檢測人或動物的呼吸波運動波形。使用方便、可靠、靈敏度高、耐用，且可以通過編織物融合到衣物中。

　　圖2 HXB－2型呼吸波傳感器

　　Fig.2 HXB-2 respiratory wave sensor

　　基于智能紡織品的呼吸信號檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖3所示，該系統(tǒng)主要由呼吸信號采集處理模塊、微處理器控制模塊、藍牙通信模塊以及電源模塊等組成。

　　圖3 基于智能紡織品呼吸信號處理框圖

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

　　根據(jù)呼吸信號和HXB-2呼吸波傳感器輸出信號的特點，傳感器采集的呼吸信號是一個微弱毫伏級別信號。為了完成對呼吸信號的線性放大及阻抗匹配，首先經(jīng)過前置差分放大電路進行放大且消除抗共模干擾；然后分別通過一高通和低通濾波器濾除呼吸信號以外其他信號干擾例如肌電的干擾等；最后經(jīng)過后置放大電路把呼吸信號放大到適合A/D采樣的電壓范圍。微處理器通過對采樣信號進行分析處理并通過藍牙將采集到的呼吸信號發(fā)送到PDA 或智能手機等手持終端。

　　3.2 基于藍牙和智能手機的心電監(jiān)護

　　基于目前智能手機可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)中，智能手機可以作為信息網(wǎng)關(guān)、信息處理單位、GPS 追蹤系統(tǒng)、存儲與計算單元等在可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮著作用。在基于商業(yè)藍牙傳感器和手機的WHMS中，可穿戴式心電監(jiān)護是最典型的應(yīng)用?；谥悄苁謾C的可穿戴式心電監(jiān)護系統(tǒng)如圖4所示，心電采集模塊導(dǎo)聯(lián)方式選擇為“單級心前導(dǎo)聯(lián)方式”。 心電采集電極采用“紡織式”電極，可隱藏電纜線、可拆洗性、舒適性、安全性。

　　圖4 可穿戴式心電健康監(jiān)護設(shè)計框圖

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

　　基于智能手機的可穿戴式心電監(jiān)護系統(tǒng)采用智能手機作為心電波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器平臺，配以前端心電采集模塊，組成心電采集與監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)有體積小，功能性強，操作方便等特點，并且對穿戴者的日常生活行為不會造成任何的約束與干涉，對現(xiàn)有采用PC機作為心電波形顯示和數(shù)據(jù)處理的控制器的心電檢測和監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小，易攜帶性；另外對于一些直接采用單片機做處理器的心電采集和監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能較為豐富，數(shù)據(jù)存儲量大，使用方便。

　　3.3 可穿戴式無線體域網(wǎng)系統(tǒng)

　　基于無線體域網(wǎng)WBAN（Wireless Body Area Network）的可穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)是以身體為中心，并集成生物傳感器、醫(yī)學電子學、多傳感器分析與數(shù)據(jù)融合、人工智能、普適傳感、無線通信和其他創(chuàng)新應(yīng)用等多學科知識?？纱┐魇綗o線體域網(wǎng)中的無線傳感器生理信息采集節(jié)點可以和患者隨身攜帶的終端如PDA 機、3G智能手機等進行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)。同時，還能夠通過Internet 或者手機通信網(wǎng)絡(luò)等方式，向遠程醫(yī)療服務(wù)中心進行數(shù)據(jù)的上傳、備份、分析與反饋。另外，終端還能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行預(yù)處理，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，對突發(fā)性疾病可以向患者的家屬發(fā)出報警。

　　圖5 可穿戴式無線體域網(wǎng)系統(tǒng)

　　Fig.5 Wearable wireless body network system

　　本文根據(jù)Wearable BAN對人體體征參數(shù)實時監(jiān)測的優(yōu)點，設(shè)計了人體的血壓、指脈、皮膚電阻、呼吸和姿態(tài)5個生理參數(shù)的采集節(jié)點，同時采集節(jié)點利用可穿戴式的低負荷傳感器實現(xiàn)對人體這5個生理參數(shù)的采集，采集到人體的體征參數(shù)之后通過藍牙方式發(fā)送到個人服務(wù)器即PDA或3G手機，并隨后通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與遠程緊急救助服務(wù)器、醫(yī)療數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、醫(yī)生服務(wù)器等聯(lián)網(wǎng)，保證了對病人實時情況的監(jiān)測。

　　4 總結(jié)與展望

　　可穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)是指利用穿戴式生物傳感器采集人體運動與生理參數(shù)，來實現(xiàn)對人體非介入、連續(xù)無創(chuàng)地診斷監(jiān)測以此幫助穿戴者實現(xiàn)對運動與健康管理。該系統(tǒng)具有微型化、智能化（高級運算功能，適于不同工況）、個性化（多狀態(tài),多參數(shù)）、網(wǎng)絡(luò)化（多種傳輸形式）、安全保密性(數(shù)據(jù)加密，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸,自主研發(fā)的定位系統(tǒng)）、舒適性（低生理、心理負荷）等優(yōu)點。

　　未來可穿戴設(shè)備或可依靠人體自身能量運行。電池續(xù)航能力一直是可穿戴式設(shè)計的難點，要提高續(xù)航能力而不減少設(shè)備性能的情況下，那么設(shè)備的尺寸就必然有所增加。而未來可穿戴設(shè)備或可依靠人體自身能量運行；未來可穿戴設(shè)備或更多兼顧穿戴者的心理、情緒。未來可穿戴式健康監(jiān)護設(shè)備不僅可以監(jiān)測人體的體外、體征信息，而且可以根據(jù)采集緊張或是放松狀態(tài)；未來可穿戴設(shè)備不僅是信息采集器，更是調(diào)節(jié)器。不僅可以單純地檢測到穿戴者的生理心理等參數(shù)，而且可以根據(jù)采集到的信息做出對人體活動的一些調(diào)節(jié)活動；未來可穿戴設(shè)備將出現(xiàn)更多的植入式、離體式設(shè)備。