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可穿戴技術(shù)在人體健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

2018-10-30 07:42:04劉亞男
紡織學(xué)報(bào) 2018年10期
關(guān)鍵詞:低功耗人體傳感器

劉亞男, 叢 杉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院, 上海 201620)

可穿戴技術(shù)主要探索和創(chuàng)造能直接穿在身上,或是整合進(jìn)用戶衣服或配件設(shè)備的科學(xué)技術(shù)[1]。1966年美國(guó)麻省理工學(xué)院學(xué)生索普和香農(nóng)等研制的用于輪盤(pán)賭的設(shè)備是歷史上第1個(gè)智能可穿戴設(shè)備[2]。從此可穿戴技術(shù)逐漸出現(xiàn)在人們的視野中,同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展而日趨成熟,不僅為人們提供了更加便捷的生活?yuàn)蕵?lè)方式,更在醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域頗有造詣。其受益對(duì)象更是涉及到了老人、兒童、孕婦以及病人等這些具有生理或心理障礙的人群,足以見(jiàn)得可穿戴技術(shù)在人體健康監(jiān)測(cè)中變得尤為重要。而就目前的可穿戴設(shè)備來(lái)看,在消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的需求度與接受度、服裝的舒適度以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可信度等方面仍存在局限性。

在這個(gè)智能的時(shí)代,可穿戴技術(shù)可謂引領(lǐng)服裝市場(chǎng)邁入了一個(gè)新的發(fā)展方向。隨著現(xiàn)代人們個(gè)性化需求以及對(duì)生活品質(zhì)的提升,未來(lái)可穿戴設(shè)備將在材料、實(shí)用價(jià)值以及數(shù)據(jù)的提取與防護(hù)等方面繼續(xù)發(fā)展,本文以監(jiān)測(cè)對(duì)象為出發(fā)點(diǎn),對(duì)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行研究,重在突出不同消費(fèi)者對(duì)可穿戴設(shè)備的個(gè)性化需求,從而實(shí)現(xiàn)更高的應(yīng)用價(jià)值,讓更多的消費(fèi)者受益。

1 監(jiān)測(cè)對(duì)象及主要功能

目前各類可穿戴設(shè)備已逐漸出現(xiàn)在人們的視野甚至生活中。下面將以監(jiān)測(cè)對(duì)象分類介紹其主要產(chǎn)品形態(tài)及功能現(xiàn)狀。

1.1 老年監(jiān)測(cè)

隨著我國(guó)人民生活水平的提高以及人口老齡化的速度在不斷加快,作為相對(duì)弱勢(shì)的群體,其健康狀況越來(lái)越引起社會(huì)大眾的關(guān)注[3]。老年可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備如表1所示。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上面向老年人健康監(jiān)測(cè)的可穿戴產(chǎn)品主要有:智能手表/手環(huán)[4-5]、智能拐杖、3G定位吊墜[6]、電子血壓計(jì)、可穿戴式智能心電圖監(jiān)護(hù)儀[7]、享睡智能紐扣、智能心率服、智能調(diào)溫服等[8]。

表1 老年健康監(jiān)測(cè)Tab.1 Health monitoring for elderly

1.2 兒童監(jiān)測(cè)

兒童作為一個(gè)家庭和民族的希望,其健康問(wèn)題不容忽視,為此大量研究人員針對(duì)兒童安全監(jiān)測(cè)、姿勢(shì)監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[9-10],如表2所示。目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上面向兒童健康監(jiān)測(cè)的可穿戴產(chǎn)品主要有:智能手表/手環(huán)/腕帶、可穿戴式嬰幼兒測(cè)溫計(jì)、可穿戴式兒童物理退熱儀、可穿戴式藍(lán)牙版腦波頭帶、云+智能眼鏡等[11-12]。

表2 兒童健康監(jiān)測(cè)Tab.2 Health monitoring for child

1.3 孕婦監(jiān)測(cè)

相比老人和兒童來(lái)說(shuō),孕婦的健康監(jiān)測(cè)主要體現(xiàn)在胎心宮縮監(jiān)測(cè)方面。多普勒超聲監(jiān)測(cè)[13]應(yīng)用多普勒原理監(jiān)測(cè)胎兒心臟的運(yùn)動(dòng),從而計(jì)算其胎心率;美國(guó)Mind Child公司開(kāi)發(fā)的MERIDIAN[14]可穿戴胎兒心率監(jiān)視器,可監(jiān)測(cè)胎兒心率、孕婦心率以及子宮活動(dòng)。使孕婦及胎兒的身體指標(biāo)及健康狀況得到及時(shí)有效的監(jiān)測(cè),避免意外事故的發(fā)生。目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上面向孕婦健康監(jiān)測(cè)的可穿戴產(chǎn)品主要是可穿戴式胎心監(jiān)測(cè)設(shè)備、可穿戴式胎心胎動(dòng)儀、防孕吐手環(huán)。

1.4 病人監(jiān)測(cè)

病人的健康監(jiān)測(cè)是這幾類監(jiān)測(cè)對(duì)象中最主要的一類,其研究主要包含術(shù)后監(jiān)控與恢復(fù)、糖尿病監(jiān)測(cè)、帕金森癥患者引導(dǎo)3個(gè)方面[15-17],如表3所示。目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上面向病人健康監(jiān)測(cè)的可穿戴產(chǎn)品主要有:智能防抖勺、便攜式智能肺呼吸儀、智能襪子、助視器等[18]。

表3 病人健康監(jiān)測(cè)Tab.3 Health monitoring for patient

2 相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

可穿戴技術(shù)為人體健康監(jiān)測(cè)提供了許多安全有效的設(shè)備,而這些設(shè)備的運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)都依靠于各種可穿戴技術(shù)的應(yīng)用,其中包括傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)以及信息反饋技術(shù)3個(gè)主要的方面。

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器是用于人體感知和數(shù)據(jù)收集的設(shè)備,目前用于人體健康監(jiān)測(cè)的傳感器技術(shù)主要包括生物傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器和環(huán)境傳感器3類。

2.1.1生物傳感器

生物傳感器通過(guò)提取具有感知作用的生物材料,將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在人體健康監(jiān)測(cè)中用于采集人體的生命體征信號(hào),是人體生理指標(biāo)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。PPG傳感器[19]通過(guò)反射光來(lái)監(jiān)測(cè)血流量和心臟跳動(dòng)計(jì)算心率,目前廣泛應(yīng)用于個(gè)人、家庭及大規(guī)模人群的生理健康監(jiān)測(cè);用石墨烯制作的柔性力學(xué)傳感器準(zhǔn)確度達(dá)到醫(yī)療級(jí),對(duì)血壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);電化學(xué)生物傳感器[20-21]實(shí)現(xiàn)非侵入式的葡萄糖檢測(cè)設(shè)備,對(duì)血糖有控制與改善效果。

2.1.2運(yùn)動(dòng)傳感器

運(yùn)動(dòng)傳感器是通過(guò)獲取人體的動(dòng)作,將人體運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的加速度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào),反饋給計(jì)算機(jī)。運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050[22]是集加速度計(jì)和陀螺儀于一體的三軸加速度傳感器,在胸部監(jiān)測(cè)人體的姿態(tài)信號(hào),獲取加速度特征值;MEMS慣性運(yùn)動(dòng)傳感器用于對(duì)患者運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集[23];NTMotion可穿戴傳感器穿戴于患者小腿、大腿和腰背處,結(jié)合智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)凍結(jié)步態(tài)的在線檢測(cè)[24]。

2.1.3環(huán)境傳感器

環(huán)境傳感器主要用來(lái)感應(yīng)周圍環(huán)境的變化,通過(guò)敏感元件阻值的變化改變輸出電信號(hào)的電壓值。DHT11溫濕度傳感器包括1個(gè)電阻式感濕元件和 1個(gè) NTC測(cè)溫元件,功耗極低,信號(hào)傳輸距離可達(dá) 20 m以上[25];氣敏傳感器主要應(yīng)用于電子鼻技術(shù)[26],對(duì)氣味識(shí)別以及糖尿病監(jiān)測(cè)有較大的貢獻(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)

可穿戴設(shè)備得以運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù),應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的電子平臺(tái)有Arduino、STM32等,在可穿戴技術(shù)的人機(jī)交互方面發(fā)揮了重要的作用。

2.2.1Arduino平臺(tái)

Arduino作為一種開(kāi)源電子原型平臺(tái),具有IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,用戶可以通過(guò)USB接口直接進(jìn)行編程和通信[27]。Arduino在國(guó)外已廣泛應(yīng)用到各類服飾化妝技術(shù)、LED信號(hào)燈、環(huán)境監(jiān)測(cè)和電子藝術(shù)品開(kāi)發(fā)等方面,是一種開(kāi)放式的人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品軟硬件平臺(tái)[28-29]。由此可見(jiàn),Arduino可較好地應(yīng)用到可穿戴技術(shù)中,通過(guò)其開(kāi)放式特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化或者專業(yè)化的設(shè)計(jì)。

2.2.2STM32控制器

STM32是一款功能較全、成本較低、高性能、低功耗的微控制器應(yīng)用產(chǎn)品,其在可穿戴技術(shù)、醫(yī)療電子、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子以及無(wú)人機(jī)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其中STM32F429應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中記步和手勢(shì)控制以及心率監(jiān)測(cè);STM32L476醫(yī)學(xué)級(jí)智能手表,結(jié)合脈搏波測(cè)量方案對(duì)人體血壓、睡眠以及運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。STM32F411可對(duì)中短途相對(duì)位置進(jìn)行輔助定位,用于兒童安全定位監(jiān)測(cè)。隨著STM32的不斷優(yōu)化升級(jí),其在人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)⒆龀龈嗟呢暙I(xiàn)。

2.3 無(wú)線通信技術(shù)

作為可穿戴設(shè)備,為滿足攜帶方便、穿脫方便、操作靈活、安全性高以及低功耗等特點(diǎn),無(wú)線通信設(shè)備起到至關(guān)重要的作用。無(wú)線通信技術(shù)主要包括BLE、ZigBee、RFID、NFC等。

2.3.1BLE藍(lán)牙低功耗技術(shù)

BLE藍(lán)牙低功耗技術(shù)是使小型供電設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線鏈接及數(shù)據(jù)傳輸,并具備低功耗、低成本、控制范圍廣、使用靈活等特點(diǎn)。其應(yīng)用于HID設(shè)備、智能家電設(shè)備以及醫(yī)療保健設(shè)備等,并在智能手環(huán)手表、可穿戴式脈搏血氧儀、心率帶等可穿戴設(shè)備中為其提供了一個(gè)超低功耗的無(wú)線傳輸方案。

2.3.2ZigBee低速短距離通信

ZigBee是一種自組織低速短距離無(wú)線通信技術(shù),由多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成,且可進(jìn)行相互通信,所以ZigBee不僅可以通過(guò)所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控,還可以接收到其他數(shù)傳模塊中的資料,大大提高了數(shù)據(jù)容量和傳輸效率。

2.3.3無(wú)線射頻識(shí)別

無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)通信技術(shù)的原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)無(wú)線電信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與數(shù)據(jù)讀取。RFID具有小型多樣化、可重復(fù)利用率較強(qiáng)、容量大、效率高等特點(diǎn),可滿足可穿戴設(shè)備重復(fù)利用率的問(wèn)題,因此,RFID技術(shù)將在可穿戴設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

2.3.4近場(chǎng)私密通信

近距離無(wú)線通信技術(shù)(NFC)可實(shí)現(xiàn)與設(shè)備之間自動(dòng)而迅速、輕松而私密的通信,目前其主要應(yīng)用于刷卡支付、門(mén)禁、帶有個(gè)性化信息的NFC標(biāo)簽等,其特有的私密通訊方式正是可穿戴設(shè)備所需要的,因此,NFC技術(shù)與可穿戴技術(shù)相結(jié)合,提高健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性及私密性。

2.4 信息反饋技術(shù)

信息反饋技術(shù)作為可穿戴設(shè)備與人體之間的通訊工具對(duì)監(jiān)測(cè)狀態(tài)起到及時(shí)的預(yù)防與治療的作用,其主要包括預(yù)警和報(bào)警裝置、LED、手機(jī)APP實(shí)時(shí)在線裝置、短信求助裝置、yeelink平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等,可以及時(shí)的將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給用戶。目前應(yīng)用較為廣泛的則是與手機(jī)APP結(jié)合的實(shí)時(shí)在線反饋技術(shù),但在老年人或病人等方面應(yīng)用還存在缺陷。

3 可穿戴技術(shù)面臨的問(wèn)題

綜上所述,當(dāng)前可穿戴技術(shù)面臨的問(wèn)題主要有4點(diǎn):1)目前市場(chǎng)上可穿戴設(shè)備種類繁多,但其監(jiān)測(cè)性能、產(chǎn)品形態(tài)大同小異,許多研究成果都僅限于實(shí)驗(yàn)研究,而并未實(shí)際應(yīng)用;2)大多數(shù)用于健康監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備還局限在服裝配飾中,對(duì)于老人、兒童、孕婦以及病人等群體在諸多情況下并不適合佩戴配飾,且配飾作為硬件物體在一定程度上都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不舒適感,降低了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性;3)可穿戴設(shè)備多數(shù)需依附于智能手機(jī)等設(shè)備,給部分老年、兒童等的使用增加負(fù)擔(dān),增加電磁輻射總量;4)人們對(duì)于可穿戴設(shè)備的需求度及接受度還有待提高,大部分消費(fèi)者對(duì)可穿戴設(shè)備還存有疑慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前可穿戴技術(shù)的發(fā)展方向主要包括研究與實(shí)際相結(jié)合,設(shè)計(jì)更具特色的可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備;將服裝作為監(jiān)測(cè)的平臺(tái),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)柔性且滿足監(jiān)測(cè)對(duì)象舒適性需求的產(chǎn)品;從監(jiān)測(cè)對(duì)象角度需增強(qiáng)加大可穿戴技術(shù)的功能性傳播,加大設(shè)備的使用率以及效果反饋,從而改變消費(fèi)者傳統(tǒng)的思想觀念;從監(jiān)測(cè)設(shè)備角度應(yīng)在其電源管理與附屬電子產(chǎn)品的使用各方面進(jìn)行改進(jìn),以低功耗、便捷實(shí)用性為原則對(duì)用戶進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì);最后應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸及信息反饋中加強(qiáng)信息的保密性,給用戶提供一個(gè)更加健康、安全的監(jiān)測(cè)環(huán)境。

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