摘要：可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即利用穿戴式生物傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)與生理參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)與健康管理。穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是具有無(wú)創(chuàng)連續(xù)檢測(cè)人體生理信息、數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送和實(shí)時(shí)處理功能的集成系統(tǒng)，能滿足低生理、心理負(fù)荷條件下的生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該文首先介紹了可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及可穿戴式健康監(jiān)護(hù)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(hù)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(duì)未來(lái)可穿戴式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展方向提出了簡(jiǎn)單的展望。

　　0 引言

　　可穿戴式健康監(jiān)測(cè)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(yùn)動(dòng)與生理參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體非介入、連續(xù)無(wú)創(chuàng)的診斷監(jiān)測(cè)以此幫助穿戴者實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)與健康管理。該系統(tǒng)普遍具有生理運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)和處理、信號(hào)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(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)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(guò)帶G-sensor的三維運(yùn)動(dòng)傳感器或GPS獲取運(yùn)動(dòng)狀況、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)量，來(lái)幫助用戶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和睡眠的管理； 第二是通過(guò)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(cè)來(lái)幫助用戶來(lái)管理重要的生理活動(dòng)。

　　可穿戴式生物傳感器系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)在最近幾年里引來(lái)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(xué)、和無(wú)線通信等科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)?？纱┐鱾鞲衅鳛榛A(chǔ)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將對(duì)穿戴者的日常活動(dòng)的影響降到最低，以期實(shí)現(xiàn)低生理、心理負(fù)荷下的個(gè)人健康管理和對(duì)病人健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)?？纱┐魇浇】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括各種類型的生理檢測(cè)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(cè)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(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及可穿戴式健康監(jiān)護(hù)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(hù)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(duì)未來(lái)可穿戴式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展方向提出一些簡(jiǎn)單的展望。所以對(duì)于可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

　　1 可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體系統(tǒng)框圖

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

　　圖1 可穿戴式健康監(jiān)護(hù)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(cè)系統(tǒng)的三個(gè)模塊即前端的生理及運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)或遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)站點(diǎn)；最后遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)站點(diǎn)根據(jù)采集到的生理及運(yùn)動(dòng)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(cè)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(yùn)動(dòng)參數(shù)。

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

　　MEMS制造工藝的進(jìn)步，使得更多的微型慣性傳感器可以用于人體活動(dòng)及健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。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(wú)線通信電路集成到一個(gè)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(kāi)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(cè)系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)人體的呼吸、心率、心電等體征參數(shù)，甚至可以無(wú)創(chuàng)的檢測(cè)人體的血糖、體液PH等人體生化參數(shù)。且基于材料科學(xué)的進(jìn)步可以使基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測(cè)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(yùn)動(dòng)信息如何傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)或者遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)站點(diǎn)。所以，可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的通信主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)： (1)把生物傳感器采集的生理信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)； (2)可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)站點(diǎn)或醫(yī)生手機(jī)。對(duì)于穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)站點(diǎn)或醫(yī)生手機(jī)目前可以采用WLAN、GSM、GPRS、4G無(wú)縫接入網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成?；ヂ?lián)網(wǎng)有更高數(shù)據(jù)傳輸率，從而更有效地促進(jìn)需要實(shí)時(shí)測(cè)量收集在遠(yuǎn)程位置的佩戴式健康監(jiān)護(hù)器系統(tǒng)。

　　對(duì)于把生物傳感器采集的生理信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)可以利用現(xiàn)有的近程無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的近程無(wú)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(shì)。而隨著目前智能手機(jī)的普及且都集成藍(lán)牙模塊，而且其計(jì)算和存儲(chǔ)能力逐漸，對(duì)于人體連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。同時(shí)，智能手機(jī)應(yīng)用于可穿戴式健康監(jiān)測(cè)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(jiǎn)化穿戴式健康監(jiān)測(cè)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(guò)智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(xiǎn)病人的位置。所以選擇藍(lán)牙傳輸生理信號(hào)是設(shè)計(jì)人體生理信號(hào)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(wèn)題是臨床根據(jù)傳輸來(lái)的生理與運(yùn)動(dòng)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(chǔ)以及收發(fā)等環(huán)節(jié)；涉及信號(hào)處理、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能方法；涉及云計(jì)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(shí)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(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，以更好的滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)信息處理的要求，更好的提升用戶體驗(yàn)效果。哈佛大學(xué)Paolo研究組和Norwegian大學(xué)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(cè)中，并取得較好的效果。此外，可穿戴式監(jiān)控監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中還涉及人機(jī)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(hù)系統(tǒng)研究

　　目前，可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究模型主要分為基于微處理器和定制平臺(tái)的可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；基于智能紡織品的可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；基于體域網(wǎng)的可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；基于商業(yè)藍(lán)牙傳感器和手機(jī)的可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；其他類型的可穿戴式健康監(jiān)測(cè)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(cè)、基于商業(yè)藍(lán)牙和智能手機(jī)的心電監(jiān)護(hù)以及基于體域網(wǎng)的人體多參數(shù)檢測(cè)。

　　3.1 基于智能紡織品的呼吸信號(hào)檢測(cè)

　　目前，可穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)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环奖悖瑢?duì)穿戴者的日常行為習(xí)慣會(huì)造成一定干擾；電阻抗體積描記不準(zhǔn)確而且易引入運(yùn)動(dòng)偽跡；而感應(yīng)體積描記技術(shù)是目前認(rèn)為最準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、易穿戴的方法。而基于智 能紡織品的呼吸信號(hào)檢測(cè)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(wú)損傷檢測(cè)人或動(dòng)物的呼吸波運(yùn)動(dòng)波形。使用方便、可靠、靈敏度高、耐用，且可以通過(guò)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，該系統(tǒng)主要由呼吸信號(hào)采集處理模塊、微處理器控制模塊、藍(lán)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(hào)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(hào)和HXB-2呼吸波傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，傳感器采集的呼吸信號(hào)是一個(gè)微弱毫伏級(jí)別信號(hào)。為了完成對(duì)呼吸信號(hào)的線性放大及阻抗匹配，首先經(jīng)過(guò)前置差分放大電路進(jìn)行放大且消除抗共模干擾；然后分別通過(guò)一高通和低通濾波器濾除呼吸信號(hào)以外其他信號(hào)干擾例如肌電的干擾等；最后經(jīng)過(guò)后置放大電路把呼吸信號(hào)放大到適合A/D采樣的電壓范圍。微處理器通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析處理并通過(guò)藍(lán)牙將采集到的呼吸信號(hào)發(fā)送到PDA 或智能手機(jī)等手持終端。

　　3.2 基于藍(lán)牙和智能手機(jī)的心電監(jiān)護(hù)

　　基于目前智能手機(jī)可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，智能手機(jī)可以作為信息網(wǎng)關(guān)、信息處理單位、GPS 追蹤系統(tǒng)、存儲(chǔ)與計(jì)算單元等在可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮著作用。在基于商業(yè)藍(lán)牙傳感器和手機(jī)的WHMS中，可穿戴式心電監(jiān)護(hù)是最典型的應(yīng)用。基于智能手機(jī)的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)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(jí)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(hù)設(shè)計(jì)框圖

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

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

　　3.3 可穿戴式無(wú)線體域網(wǎng)系統(tǒng)

　　基于無(wú)線體域網(wǎng)WBAN（Wireless Body Area Network）的可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是以身體為中心，并集成生物傳感器、醫(yī)學(xué)電子學(xué)、多傳感器分析與數(shù)據(jù)融合、人工智能、普適傳感、無(wú)線通信和其他創(chuàng)新應(yīng)用等多學(xué)科知識(shí)?？纱┐魇綗o(wú)線體域網(wǎng)中的無(wú)線傳感器生理信息采集節(jié)點(diǎn)可以和患者隨身攜帶的終端如PDA 機(jī)、3G智能手機(jī)等進(jìn)行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)，還能夠通過(guò)Internet 或者手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)等方式，向遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心進(jìn)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(jìn)行預(yù)處理，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)突發(fā)性疾病可以向患者的家屬發(fā)出報(bào)警。

　　圖5 可穿戴式無(wú)線體域網(wǎng)系統(tǒng)

　　Fig.5 Wearable wireless body network system

　　本文根據(jù)Wearable BAN對(duì)人體體征參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了人體的血壓、指脈、皮膚電阻、呼吸和姿態(tài)5個(gè)生理參數(shù)的采集節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采集節(jié)點(diǎn)利用可穿戴式的低負(fù)荷傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體這5個(gè)生理參數(shù)的采集，采集到人體的體征參數(shù)之后通過(guò)藍(lán)牙方式發(fā)送到個(gè)人服務(wù)器即PDA或3G手機(jī)，并隨后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程緊急救助服務(wù)器、醫(yī)療數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、醫(yī)生服務(wù)器等聯(lián)網(wǎng)，保證了對(duì)病人實(shí)時(shí)情況的監(jiān)測(cè)。

　　4 總結(jié)與展望

　　可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指利用穿戴式生物傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)與生理參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體非介入、連續(xù)無(wú)創(chuàng)地診斷監(jiān)測(cè)以此幫助穿戴者實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)與健康管理。該系統(tǒng)具有微型化、智能化（高級(jí)運(yùn)算功能，適于不同工況）、個(gè)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(fù)荷）等優(yōu)點(diǎn)。

　　未來(lái)可穿戴設(shè)備或可依靠人體自身能量運(yùn)行。電池續(xù)航能力一直是可穿戴式設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，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(lái)可穿戴設(shè)備或可依靠人體自身能量運(yùn)行；未來(lái)可穿戴設(shè)備或更多兼顧穿戴者的心理、情緒。未來(lái)可穿戴式健康監(jiān)護(hù)設(shè)備不僅可以監(jiān)測(cè)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(lái)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(cè)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(duì)人體活動(dòng)的一些調(diào)節(jié)活動(dòng)；未來(lái)可穿戴設(shè)備將出現(xiàn)更多的植入式、離體式設(shè)備。