王　利　張思琪　曹繼剛（湖北中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院，武漢　430065）

脈診疾病預警定位智能手環(huán)的發(fā)明設計※

王利張思琪曹繼剛*
（湖北中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院，武漢430065）

疾病預警定位智能手環(huán)主要由紅外監(jiān)測技術和GPS/GSM雙定位系統(tǒng)組成。通過紅外監(jiān)測技術所得數據結合國家973項目四診客觀化的研究結果提示醫(yī)護人員對佩戴者的中醫(yī)診療。其技術特點主要包括：通過機體組織對不同波長光的吸收度不同，創(chuàng)新性的監(jiān)測佩戴者的血氧飽和度并使心率監(jiān)測值更加精確；定位信息通過GPS/GSM與計算機終端連接，使定位范圍更加廣泛，精準度高；用戶信息由藍牙數據傳送，穩(wěn)定性強，傳送速度較快，方便救護人員迅速，反應及時救援。

智能手環(huán)；四診客觀化；心率監(jiān)測；GPS/GMS定位；可穿戴

我國已進入老齡化社會，65歲及以上老年人已達1.5億。按30%的發(fā)生率估算每年將近4000多萬老年人至少發(fā)生1次跌倒，跌倒是我國65歲以上老年人死亡的首位原因［1］。中共十八屆五中全會決定，堅持計劃生育的基本國策，全面實施一對夫婦可生育兩個孩子政策。這意味著未來將大規(guī)模出現兩位青年人要同時照顧四位老人和兩個孩子的社會現象。青年人對老人所能分散的精力大大減少。子女大多不在身邊的慢性病患者，由于醫(yī)療資源與社會養(yǎng)老院的匱乏，只能選擇在家養(yǎng)病，但急性發(fā)病時卻常因家中無人而無法得到即使救治，甚至出現“死亡47年后才被發(fā)現”的慘劇。為解決近年來凸顯的的社區(qū)養(yǎng)老問題，與“老人摔倒無人敢扶”、“老人走失走散”、“老人死在家中無人發(fā)現”等社會現象。本文就疾病預警定位智能手環(huán)的設計靈感、四診客觀化的運用、紅外監(jiān)測技術、以及手環(huán)與手機終端之間的通訊連接進行了介紹。

1　設計靈感

1.1便攜式指脈氧檢測儀的啟發(fā) 目前血氧飽和度儀的測量方法主要是紅外光譜光電法，SpO2是根據血紅蛋白 （Hb）具有光吸收的特性設計而成［2］。脈搏血氧飽和度的檢測常運用于各種疾病的監(jiān)控，對病人生命體征的變化有早期的提示預警作用。而慢性疾病預防、早期診斷和護理是醫(yī)療電子的主要目標應用。隨著小型化成為可能，便攜個人醫(yī)療電子裝置成為新的焦點。移動醫(yī)療電子產品的復雜程度即將進入新的階段［3］。指脈氧檢測在醫(yī)療、體育、生活等方面的大規(guī)模運用，指脈氧檢測的便攜化發(fā)展成為當今社會必然趨勢。

1.2 GSM與GPS智能定位方法 GSM網絡定位是利用移動通信公司的服務提供商（SP）提供的位置服務向公眾提供高精度定位業(yè)務。無論在室內還是室外，只要有移動網絡覆蓋并且開展位置服務的地方即可實現定位。GPS定位和GSM網絡定位雙定位終端的設計思想是集成GPS和GSM網絡定位兩種定位方式。該定位終端收到定位請求之后，實時獲取 GPS提供的經緯度、速度、時間等信息和GSM網絡提供的位置服務信息，并以短消息的形式發(fā)送給請求位置的手機或者控制中心［4］。該定位方式用于可穿戴設備中的操作相對簡單，且僅利用GSM卡及相應讀卡設備就可實現定位，在大大減小的技術難度的同時節(jié)省了佩戴空間。

2　四診客觀化的運用

在國家973項目的多項研究成果的指導下，以中醫(yī)四診采集的量化技術為前提，建立中醫(yī)證候診斷標準，從而通過檢測數據對患者進行統(tǒng)一辨證的技術逐漸成熟。

2.1四診客觀化的運用原理 四診客觀化在疾病預警定位智能手環(huán)中的運用主要體現在脈診方面。中醫(yī)認為氣和血是形成脈搏的物質基礎，心氣鼓動和血在脈中流動從而形成脈搏。現代生理學認為，脈搏是由心臟射血活動引起的一種血液和血管壁的振蕩，這種振蕩所產生的波，從主動脈根部開始，沿動脈樹向外圍脈管傳播［5］。從血液動力學的角度講，動脈脈搏是心臟的張縮引起的、沿著血管傳播的一種機械波。動脈管壁隨心室的舒縮而出現周期性的起伏搏動，沿動脈管壁向末梢血管呈波形擴播，稱脈搏波。其本質在于心臟搏出的血流導致的壓力擾動和流量擾動，即血流動力學改變的影響。而血液不停地隨血液循環(huán)流經機體的各個組織器官，因此血液必定帶有機體各組織器官以及血管和血液本身的信息。這些信息必然影響到脈搏，使脈搏本身成為信息，同時，血液流經各個組織器官時，各組織器官都處于其各自當時的生理或病理狀態(tài)下，組織器官的生理或病理狀態(tài)必然對血液和血管造成影響，從而影響到脈搏。這時的脈搏必然攜帶著組織器官的生理或病理狀態(tài)的信息。故脈搏又是機體生理或病理狀態(tài)產生的隨機信息的載體，所以，脈搏具有信息和載體的兩重性［6］?；谝陨侠碚撐覀兛梢酝ㄟ^脈搏的變化來了解人體的各項生理病理信息，血液動力學產生的脈搏波的變化支持中醫(yī)學可以通過脈診了解人體各項生理病理情況這一理論。而《素問·五藏別論》云：“胃者，水谷之海，六腑之大源也。五味入口，藏于胃，以養(yǎng)五臟氣，氣口亦太陰也。是以五臟六腑之氣味，皆出于胃，變見于氣口。”因此疾病預警定位智能手環(huán)可以通過對寸口處的脈搏的壓力、血氧、脈率波形圖進行監(jiān)測，并且針對不同年齡段、不同生理情況等人群的監(jiān)測數據進行統(tǒng)計學分析，得到不同脈象的標準化脈象圖。將佩戴者的脈象圖與標準脈象圖對比，所得結果作為參考可以針對不同的佩戴者制作個性化診療方案。

2.2四診客觀化的運用優(yōu)勢 四診客觀化將中醫(yī)的診斷依據具體化、標準化使其少受或者不受外界因素和醫(yī)生主觀意念的影響。目前大多數智能手環(huán)設備功能較為基礎，對佩戴者的血氧飽和度及脈搏波不具有監(jiān)測和分析能力。疾病預警定位智能手環(huán)充分利用四診客觀化理論及成果，將收集到的脈搏波圖對比標準脈象圖，即可得到佩戴著的脈象，并提示醫(yī)生根據不同的脈象制作不同的診療方案，充分的體現中醫(yī)學“因人制宜”的診療理念。將一般手環(huán)的檢測方向從運動檢測、睡眠監(jiān)測轉化為標準化的醫(yī)療檢測，檢測方向與獨居、患病、行動不便的老人這一目標人群更加切合。

3　紅外監(jiān)測技術

3.1紅外監(jiān)測技術的監(jiān)測原理 光學法是一種連續(xù)的、無損傷的血氧測定方法。由于人體血液中的氧合血紅蛋白（O2Hb）和沒有被氧合的血紅蛋白（Hb）對于不同波長光的吸收系數的不同。在紅外光區(qū)域，Hb的吸收系數小于比O2Hb，因此在富含氧的血液通過時，紅外光就會被更多的吸收掉，導致傳遞到光電接收管的信號減弱，反之則增強。

在光學法中無創(chuàng)性脈搏血氧測定法，即利用手指或耳廓作為盛裝血紅蛋白的透明容器，使用波長660 nm的紅光和940 nm的近紅外光作為入射光源，測定通過組織床的光傳導強度，來計算血紅蛋白濃度及血氧飽和度［7］。

疾病預警定位智能手環(huán)受指脈氧檢測儀啟發(fā)通過以上原理在手表上安裝能同時發(fā)射波長為660 nm的紅光和波長為940 nm的近紅外光的發(fā)光二極管，使其能對被監(jiān)測部位發(fā)出指定光源，同時，在發(fā)光二極管同側安裝光敏傳感器，來吸收穿過人體組織的光，將人體腕部組織作為“盛裝血紅蛋白的透明容器”對該處血氧飽和度進行監(jiān)測；發(fā)光二極管與光敏傳感器之間的絕光性良好，即兩者之間不通過出人體組織外的其他介質進行光信號的交換，減小測量誤差；發(fā)光二極管與光敏傳感器緊貼體表皮膚，且除與皮膚接觸部位外，其他部位均用黑色橡膠密封，防止外界光源對監(jiān)測產生干擾。另外，疾病預警定位智能手環(huán)也配備有紅外脈搏傳感器，由于心臟跳動而引起的手指尖內微血管容積發(fā)生的變化，紅外脈搏傳感器通過接收穿過人體組織的紅外光信號，經過信號放大、調理、整形輸出完整的脈搏波電壓信號，得到人體的脈搏波。

3.2紅外監(jiān)測技術的運用優(yōu)勢 紅外監(jiān)測技術在疾病預警定位智能手環(huán)上的運用具有以下5點優(yōu)勢：（1）工藝簡單，安全無創(chuàng)。基于于指脈氧工作原理，佩戴者血氧、心率均可以通過現今已成熟紅外技術監(jiān)測，運用光學原理進行檢測，產品輻射小，為無創(chuàng)檢查。（2）使用壽命長，不易損壞。紅外原件的損耗主要來自發(fā)光二極管，而發(fā)光二極管在正常電流應力50 mA下紅外LED（即紅外發(fā)光二極管）的平均壽命和中位壽命：μ=1.59052×107 h，t0.5=1.25999×107 h［8］使用年限較長；發(fā)光二極管、光敏傳感器及紅外脈搏傳感器與皮膚的接觸面均有純透明橡膠保護，避免電子元件損害。（3）耗能小，成本低。紅外原件的使用功率較小，電壓≤3 VDC，電流≤50 mA；且各項電子元件成本較低，如紅外發(fā)光二極管的價格可控制在每千個80元左右。（4）數據可信度度高。紅外監(jiān)測血氧、心率的數據均是依據血液動力學原理，心率測量精度+2%、血氧飽和度測量精度+2%（75%～100%）、血流灌注指數0.1%，且該技術原理已在醫(yī)療范圍內廣泛使用，在醫(yī)療診斷上具有一定的參考性。（5）獨立設計，自主監(jiān)測。紅外監(jiān)測使用的芯片與定位芯片完全分離，方便儀器的排障與維修；監(jiān)測佩戴者數據時可通過紅外線識別被測距離，監(jiān)測面與體表測量部位接觸時，儀器自動開啟并顯示被測人員的相關數據，反之，在產品離開體表測量部位或是接觸其他非人體組織物時，儀器將發(fā)出聲音提示，并在8 s內自動關機。

4　手環(huán)與手機終端之間的通訊連接

4.1手環(huán)監(jiān)測數據與手機終端的連接 疾病預警定位智能手環(huán)的紅外監(jiān)測數據通過藍牙設備 （2．4 GHz藍牙無線技術）與計算機進行連接，支持點對點及點對多點通信，從而實現人機互動。同一臺計算機可與多個手環(huán)連接，形成局域網，方便實時監(jiān)測和統(tǒng)一管理。且無線連接技術主要是通過2．4 GHz藍牙無線頻段進行，2．4 GHz是世界公開通用藍牙無線頻段，大部分的設備（例如手機、電腦、平板）都支持藍牙，可以方便地接受這個頻段的信號進行連接，實現多平臺操作［9］，適用范圍廣。同時，藍牙工作的 2.45 GHZ的ISM（工業(yè)，科學和醫(yī)療）頻段為完全開放的頻段，在使用 ISM頻段時會遇到不可預測的干擾源為此 Bluetooth規(guī)范特別設計了快速跳頻擴譜（Frequency Hopping Sprend Spectrum）方案［10］，具有極強的穩(wěn)定性。

4.2定位裝置與手機終端之間的通訊連接 疾病預警定位智能手環(huán)運用GPS與GSM雙定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是由24顆人造衛(wèi)星和地面站組成的全球無線導航與定位系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解析精度［4］。GPS/GSM衛(wèi)星定位公眾服務系統(tǒng)是利用已有運營的GSM網絡，通過計算機網絡系統(tǒng)，應用GPS定位技術和電子地圖系統(tǒng)，為社會上廣大公眾的各種車輛及近海船只提供報警、看車及導航等多種服務。系統(tǒng)通過建立指揮中心，分區(qū)設置監(jiān)測臺站輻射覆蓋，形成大范圍監(jiān)測網絡，對網內用戶報警目標進行實時監(jiān)測，動態(tài)跟蹤，把監(jiān)測目標的位置信息和移動軌跡顯示在詳細準確的電子地圖上，并根據用戶檔案和背景資料確認用戶要求的功能服務，進行實時處理，采取對應措施［11］。通過移動信息平臺如電信、移動等公司的SIM即可實現GPS與GSM的定位，且可以準確的將定位地址以短信形式發(fā)送至指定手機或電子終端。

5　結語

疾病預警定位智能手環(huán)受便攜式指脈氧及移動互聯(lián)網的GPS/GSM雙定位方法，致力于解決日益嚴重的社會養(yǎng)老問題。本產品采用紅外檢測技術，增加了血氧飽和度以及脈波圖等監(jiān)測功能，并創(chuàng)新性的結合四診客觀化原理，用監(jiān)測數據提示中醫(yī)診療方案，將現代智能醫(yī)學與中醫(yī)學理論相結和，方便醫(yī)護人員針對佩戴著的不同需求指定個性化診療方案。GPS/GMS雙定位系統(tǒng)的運用解決了GPS在房屋密集處無定位信號，及深山等通訊信號難以傳出的問題。本產品適用范圍廣，操作方式簡單，運用成本低，具有廣闊的市場前景。

［1］武少龍.對“老人跌倒該不該扶”的倫理思考［J］.商品與質量，2011（SA）：212.

［2］于巍，古慶恩，李信政，等.無創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度測量技術及進展［J］.醫(yī)療設備信息，2007，22（9）：49-52.

［3］萇飛霸，尹軍，顏樂先，等.一種可穿戴式無線體域網系統(tǒng)的研究［J］.生物醫(yī)學工程與臨床，2014（5）：413-416.

［4］姜西瑞，程振林，方金云，等.GPS和GSM雙定位終端的軟硬件設計與實現［J］.計算機工程，2006，32（20）：244-246.

［5］費兆馥，張志楓.中醫(yī)脈診的圖象化和定量化［J］.自然雜志，1995，17（5）：269-274.

［6］祁曉民.淺議疾病、血流動力學改變與中醫(yī)脈象的關系［J］.現代中西醫(yī)結合雜志，2006，15（19）：2600-2602.

［7］應明英，閔龍秋.脈搏血氧飽和度儀的原理及臨床應用［J］.國外醫(yī)學，麻醉學與復蘇分冊，1991，12（2）：76-78.

［8］張建平，武文麗，朱文清.Weibull分布下基于MLE的紅外發(fā)光二極管壽命預測［J］.半導體光電，2011，32（1）：47-51.

［9］李蛟，楊仁錕，肖峻.2.4 GHz無線技術標準及ZigBee抗干擾性能［J］.電信工程技術與標準化，2006，19（3）：31-35.

［10］蔣偉榮，黃曉林，梁玉紅.Bluetooth技術體系及其設計應用技術［J］.計算機時代，2002（5）：1-3.

［11］李明，陳曉，何鋒鋒.GSM網絡在GPS/GSM衛(wèi)星定位公眾服務系統(tǒng)的應用［J］.移動通信，2008，32（13）：60-64.

Design of Intelligent Disease Warning Wristband Instrument

WANG Li，ZHANG Siqi，CAO Jigang
（Basic Medical Collegel，Hubei University of Chinese Medicine，Wuhan 430061，China）

The intelligent disease warning wristband is mainly composed of infrared monitoring technology and GPS/GSM dual-positioning systems.According to the data from infrared monitoring technology，combined with the findings of the National 973 Project" four physical examinations objectivity"，it is helpful for the TCM diagnosis and treatment which comes from medical staffs aiming at the wearers.The technical characteristics mainly includ that based on the different absorbance of body tissues responding to different wavelengths of light，the innovative monitoring makes the data of saturation of blood oxygen and heart rate more accurate，and the location information connects to computer terminals through GPS/GSM，which enlarges the localization range and improves the accuracy.At the same time，the blue tooth is used to transmit data of users'information，which has strong stability and higher data-transmission speeds，promoting ambulance crews to get ready to respond rapidly and come to the rescue in time.

wearable technology；four diagnostic techniques objectivity；heart rate monitoring；GPS/GSM positioning system；wearable

10.3969/j.issn.1672-2779.2016.15.022

1672-2779（2016）-15-0051-03

國家中醫(yī)藥管理局全國第五批名老中醫(yī)藥專家?guī)煶许椖浚▏嗅t(yī)藥人教函［2012］123號）

caojigang722@21cn.com

（本文編輯：李海燕 本文校對：李海燕2016-03-08）