患者的小帮手：可穿戴设备助力便捷医疗

背 景

在人们日常生活中，传统的就医模式是病患亲自去医院就诊，进行疾病诊断。但在中国这样庞大人口基数的国家，医院每天的接诊人数非常多，这不仅会影响医院的诊疗效率，增加医院的管理负担，同时也会潜在增加疾病的传播风险。但在现如今医疗技术快速发展的时代，在信息科技的助力下，近些年可穿戴设备的大量应用有望缓解上述问题，病患有望在足不出户的情况下，同医生进行远程医疗交流进行疾病诊断。智能可穿戴设备可以监测人体的多项生理指标，比如血压、血糖、心律、心跳、脉搏、睡眠指标等[1]，具有实用便捷、交互性好等优点，而基于互联网远程治疗模式的发展，可穿戴设备已经在医疗健康领域展现出了巨大的潜力，它可通过长时间收集生理健康数据来提供可靠的临床诊断，使在家监测健康状况成为可能，可以减少患者的住院费用，在预警重大疾病方面扮演的角色越来越重要，未来将进一步成为医生的得力帮手。[2]

图 1 用于监测生理参数的可穿戴设备流程图[4]

1、可穿戴设备的基本概念以及种类

“可穿戴设备之父”——史蒂夫 • 曼恩（Steve Mann）早在 20 世纪 70 年代就对此进行了研究，他将可穿戴设备准确地称呼为“智能可穿戴计算机”，它应具有持续便捷、敏感、增强人体感知能力等特性。简单来讲，可穿戴设备是指结合了多种传感器、通信技术、多媒体技术对人类常见的穿戴设备进行了智能化配置之后的电子设备，它可以实现对人体相关数据的感知、收集、分析处理以及储存。由于结合了互联网技术，可穿戴设备可对人体的健康状况进行实时、准确、快速地远程监测和管理[3]。可穿戴设备的基本监测流程如图1 所示，其中用于人体不同部位的可穿戴设备可以将人体相关数据信号收集起来并利用互联网、5G通信、WIFI等方式将其传输到人们常用的便捷设备上，实现健康监测。

可穿戴设备可以采集人体不同部位的身体信息，根据采集方式的不同，可以将其分为连续采集、间断采集、即时采集等三类设备。随着可穿戴设备的发展，其在日常生活中已经应用广泛，比如人们常见的智能可穿戴手表（HUAWEI Watch、Xiaomi Watch等）就可实现对人体心率、血压等健康指标的简单监测[5]，诸如此类的还有可穿戴眼镜、可穿戴衣服、鞋子、可穿戴腕带等，见图2 。由于可穿戴设备实现数据检测的核心是传感器，那么根据传感器的类别不同，又可将其分为光电传感器可穿戴设备、生物化学传感可穿戴设备、压电传感可穿戴设备等类型。伴随着可穿戴设备的研究进一步深入，智能可穿戴设备对于辅助诊疗以及预防人类的一些重大疾病方面已经有了显著成效，比如在心脏健康监测领域，可穿戴设备就有着很大的应用前景。下文将主要对可穿戴生物化学传感器进行一个简单讨论，并对市面常见的可穿戴设备在医疗心脏监测领域的应用进行总结。

图 2 常见的可穿戴设备（图片来源于网络）

2、可穿戴生物化学传感器

可穿戴生物化学传感器提供了生物液体中生物标记物的一些信息，包括电解质(如Na+、K+、Ca2+和Cl−)、代谢物(如葡萄糖、尿酸和乳酸)、pH值、维生素、激素(如皮质醇)和免疫检测(如细胞因子)，用于疾病诊断和持续随访。换句话说，可穿戴生物分析设备可以被视为一种适当的替代方案，通过非侵入性或微创性地确定汗液、唾液、呼吸、眼泪和等生物液体中的分子生物标志物，来替代体积庞大、价格高昂的血液样本分析[6]。可穿戴生物标志物监测系统包括柔性衬底、信号转换传感元件和电信号传输分析三个主要部分。不同的电化学和光学检测技术可用于构建可穿戴传感系统，该系统往往集成了移动输出单元，可用于诊断各种生物流体中的全方位生物标志物。

设计可穿戴生物化学传感器最基础的环节应该考虑柔性衬底的制备。人体组织的特点是柔软、可拉伸、呈曲线状，并具有独特的机械性能，设计可穿戴传感器应该将传感器件与人体组织的机械性能匹配起来，柔性可穿戴生物化学传感器在这方面有着很大的应用潜力，柔性衬底是可穿戴生物化学传感器的最主要组成部分之一，各种可拉伸结构电极和纳米材料赋能电极已广泛应用于可穿戴电化学传感领域，其中可拉伸工作电极由贵金属(如Ag和Au)、半导体(如MoS2)、导电聚合物(如聚(3,4-乙二氧噻吩)、以及碳基纳米材料(如石墨烯和碳纳米管)[7]。基于上述材料的可拉伸电极在应变条件下具有良好的拉伸性能。通过旋涂、真空过滤、在弹性体聚合物和硅橡胶上现场制备纳米材料和逐层组装，可制备纳米材料可拉伸电极，零维纳米颗粒嵌入弹性体基质中可产生柔性复合材料，被广泛应用于可穿戴传感领域。

可穿戴物联网(Internet of Wearable Things, IOWT)是指通过互联网连接的大量可穿戴生物化学传感器。图3描述了基于云的远程医疗中IOWT的概念方案，展示了可穿戴生物标记传感器、服务器和医疗人员之间的通信，以及远程医疗应用程序。商用可穿戴传感器目前可以测量皮肤温度、氧饱和度、血压、心率和心电图等生理信号，用于COVID-19诊断。可穿戴物联网生物化学传感器可被视为诊断设备的替代品，因为传统健康监测的沉重经济负担已引起许多担忧，特别是在发展中国家。因此，基于云的远程医疗中的IOWT将跟踪非侵入性生物液体中的生物标记物，可能是个性化医疗监测的理想选择。

图3 基于云的远程医疗中可穿戴物联网的概念方案，包括穿戴在身上的可穿戴生物化学传感器、路由器、云服务器和用于远程医疗应用和远程医疗监测的定制应用程序[6]

3、可穿戴设备在心脏健康监测中的应用

3.1、心律失常的监测

Zio贴片是由iRhythm Technologies保健公司研发的一种粘合剂防水贴片，见图4，可用于左胸区域，提供单导联心电图用于心脏节律的连续监测，这种贴片可以佩戴14天，并提供相对长期的心律监测，而不需要更换电池或充电。它还包括一个事件标记按钮，可以在患者出现症状时按下。与传统的动态心电图Holter相比，Zio更轻便，对正常生活的干扰度低，对心律失常地诊断有着很高的诊断率，它可以将用户心电图数据储存起来，收集完毕后，用户可通过iRhythm Technologies团队获取心电报告并将其传输给医生。有科研团队对Zio贴片的有效性进行了研究，174例急诊出院患者使用了Zio贴片，平均年龄为52.2岁，其中55%是女性。这些患者中最常见的适应症包括心悸(44.8%)、晕厥(24.1%)和头晕(6.3%)，而心律失常最常见的体征是室性心动过速(8.0%)、房颤(2.3%)、慢速心律失常(2.9%)和不明心律失常(11.5%)。这些患者被要求在14天后将设备寄回，或者直到他们出现触发事件的症状。共有83例(约48%)患者记录有1次以上心律失常，其中近10%的患者在第一次心律失常时出现症状。首次发现心律失常的中位时间为1.0天，约有一半有症状的患者在触发事件期间没有任何心律失常，总体诊断率为63.2%。[8-9]

图 4 ZIO贴片（图片来源于网络）

另一种名为NUVANT MCT的移动心脏遥测设备可以提供患者实时无线心律失常监测和分析。NUVANT MCT系统由可穿戴的监测贴片和便携式数据传输装置组成，并配有磁铁，当患者出现症状时，磁铁就会被用作触发装置。虽然NUVANT MCT系统提供实时传输，但其数据不能实时提供给患者。这一功能是由另一种可穿戴设备Scanadu Scout基于PPG信号所提供，患者可以拿在手指之间，指向头部，以提供完整的生理参数和生命体征，包括心率、血压(BP)、温度、呼吸频率(RR)和氧饱和度，它可与智能手机一起工作进行显示和存储[10]。

图 5  NUVANT MCT和Scanadu Scout可穿戴设备（图片来源于网络）

3.2、监测心率（HR）和血压（BP）

血压监测是智能可穿戴设备的一个里程碑，实现对人体血压的监测对预防突发心脏病有着重要的意义，传统的血压检查需要患者带上充气袖带，耗时繁琐，而可穿戴设备可通过动脉扁平张力、脉搏波的传导速度、血液容积变化等实现血压监测，方便高效地应用于血压测量中。

Digiglio P等[11]提出了一种基于微流体元件的柔性压力传感器，用于动脉血压监测。这种传感器由一种无创、超灵活、透明的设备组成，可以连续佩戴。该技术可用于无创测量BP，从而可能有助于克服灵活性的关键问题，并允许连续监测，同时仍保持长时间佩戴舒适。谷歌眼镜是一款头戴式可穿戴设备，配有加速计、陀螺仪和摄像头。一研究显示，其估计心率的平均绝对误差为1.18次/分钟，估计HR的平均绝对误差为0.94次/分钟。[12]

图 6  谷歌眼镜（图片来源于网络）

华为公司于2021年发布了公司首款用于血压监测的可穿戴设备——HUAWEI WATCH D，通过了药监局二类医疗器械注册认证，基于 HUAWEI WATCH D 的高性能微泵和光电容积脉搏波描记（PPG ）传感器，采用创新的 Hybrid 血压测量技术，实现动态血压监测、日间高压提醒、血压昼夜节律等功能，可帮助用户主动管理血压健康。

图 7  HUAWEI Watch D（图片来源于华为官网）

3.3、心肺监测

在新型冠状病毒大流行的全球背景下，作为一种急性呼吸道传染病，对人体的心肺功能会造成严重损伤，严重危急人类健康。针对心肺功能的监测，对于在疫情背景下人体的健康管理十分重要。

可穿戴的无线多参数系统，可用于监测外周毛细血管血氧饱和度（SpO2）、HR和步行信息，通过可穿戴设备配合6MWT法可实现对心肺功能患者的科学监测与康复，6MWT法是指6分钟步行测试法，是指找一块平坦的走廊（25-30 m）以能承受的最快速度来回走6分钟，记录一系列心肺指标反馈给医师，以此来评估患者的运动能力、心肺功能等。6MWT是评估个体心肺状况的常用标准，该系统已被证明能够有效估计测试期间受试者的心率和动态变化以及步行速度和加速度的差异[13]。在6MWT期间，个人的心脏和呼吸功能发生动态变化，因此该系统可能用于连续的动态监测。

图 8 可穿戴的无线多参数系统（图片来源于网络）

图 9 6MWT测试（图片来源于知乎）

4、可穿戴设备的机遇与挑战

上文介绍了可穿戴传感器在医疗心脏监测方面的相关应用，可以有效辅助医师开展诊疗工作，大大缩短了传统问诊模式繁琐的时间，对医疗工作帮助显著，我国在这一领域仍有很大的研究空间。互联网科技的不断革新给予了可穿戴设备的可扩展性，利用科技与医疗相结合，为病患的远程治疗提供了可能。但可穿戴设备仍然存在挑战，罹患心血管疾病的人群大部分为老年人，智能穿戴设备对于老年人来讲，使用存在认知盲区、不方便等问题，此外可穿戴设备面对复杂环境的适用性仍然是一个待解决的问题。