曹江北教授:可穿戴生理监测设备的研讨进展

  可穿戴设备在世界上尚无较精确和齐备的界说。科普我国是这样界说的:可穿戴设备即直接穿在身上,或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备,是一种硬件设备,更是经过软件支撑以及数据交互、云端交互来完成强壮的功用,将会对咱们的日子、感知带来很大的改变,具有可移动性、可穿戴性、可继续性、简略操作性、可交互性等特征。

  首要探究和发明能直接穿在身上或是整合进用户的衣服、配件的设备(多媒体、传感器和无线通信等),具有低负荷、可移动操作、运用简洁、支撑长时接连工作和无线数据传输等特色。它是信息技能和生物医学工程的研讨热门,充分体现了智能-生物-技能(intelligent bio-technology, IBT)的交融。跟着核算机标准化软硬件以及互联网技能的高速展开,可穿戴技能逐步在工业、医疗健康、军事、教育、文娱等许多范畴表现出重要的研讨价值和运用潜力,其在医疗健康范畴的运用包含仿生眼睛、机械手臂、穿戴式肾等。

  20世纪60年代,阿波罗计划研讨运用动态心电图继续监测宇航员的健康状况,之后Gilson医师初次对动态心电图做了临床陈述,这项技能逐步在临床推行,开端研讨更多的便携式生理参数监测设备,呈现了血氧饱和度、血压、呼吸及体位体动等生理参数的监测技能。

  1977年CC Collins为瞎子开发了一款运用头戴式摄像头把图画转换成背心的触觉网络的可穿戴设备;

  1981年史蒂夫·曼恩(Steve Mann)规划了一款具有文本、图画和多媒体功用以及头盔显现器的背包式电脑;

  1984年,Casio DatabankCD-40是由卡西欧开发的最早的一批能够存储信息的数字手表之一;

  谷歌于2012年4月宣告计划推出智能眼镜,由此引发了大规模的智能眼镜商场的竞赛,2012年被称作“智能可穿戴设备元年”;

  进入21世纪,GPS、蓝牙技能、无线衔接与传输技能、传感器技能等都得到了快速展开,使得各种可穿戴设备的品种不对添加,功用日趋强壮。

  可穿戴设备多以具有部分核算功用、可衔接手机及各类终端的便携式配件方法存在,干流的产品形状包含以手腕为支撑的手表类、以脚为支撑的shoes类、以头部为支撑的Glass类、以及智能服装、书包、拐杖、配饰等各类非干流产品形状。此次新冠肺炎疫情的忽然爆发,也在必定程度上加快了穿戴式生理参数监测体系在医疗范畴的运用进程。

  可穿戴设备已逐步运用于临床,例如康乃心健康服务办理渠道、根据人工智能及物联网的胸痛区域渠道等。

  凭借医疗穿戴设备进行长途心电收集,运用移动及互联网技能,经过手机将患者收集的心电数据上传到解放军总医院监测中心,打破了时刻、空间、地域上的约束,克服了惯例心电图对一过性反常心电信号难以捕捉的缺乏。可实时监测发现各种心律失常,包含Ⅲ度房室传导阻滞,严峻窦性停搏,继续性室速及无症状心律失常,还可对急性冠状动脉综合征做出开始确诊,辅导患者药物医治。

  康乃心渠道长途监测信息反应,仅需3-5分钟,解放军总医院为危重患者树立绿色通道,为心脏病患者全天候服务,使心电长途监护进入3A年代(即任何时刻Any time,任何地址Any where,任何人Any body)。其定论威望、运用简洁、反响快速、经济实用、交流方法具有多样性、服务内容具有广泛性、数据保护具有长期性。

  云端层为长途数据存储,担任高性能核算使命。某些人工智能可穿戴设备可集成感知层和传输层的功用。

  物联网胸痛区域渠道的硬件根底为人工智能可穿戴心电图、智能手机、电脑、云端大型存储及运算单元,软件根底为与硬件配套的患者客户端、胸痛中心医师客户端和急救中心客户端。

  各国大力展开可穿戴医疗设备工业,美国和欧盟投入巨资研制可穿戴医疗设备,我国在20世纪90年代后期展开了可穿戴医疗健康研讨,简直与世界可穿戴医疗设备研讨同步。

  可穿戴医疗设备工业正处于快速成长期:虽然在全球规模内,Apple,FitBit, Epocrates,CardioNet,WellDoc,Whoop,Vocera等公司都已在可穿戴医疗范畴做出了成功模范,但其产品的丰富性、功用性依然无法满意商场需求。

  我国医疗供需缺口为可穿戴医疗设备带来新机遇。未来,冠心病、高血压、糖尿病等缓慢疾病的患者将不只承受药物医治,还承受包含长途监测、长途医治计划调整、日子方法办理和可穿戴式给药在内的全体疾病办理计划。

  经过美国食品药品监督办理局(FDA)或国家食品药品监督办理局(SFDA)认证的医疗级可穿戴设备的临床运用研讨,常见的医疗级可穿戴设备形状、监测信号类型及设备示例总结:

  可穿戴设备在感知与运用两个维度的改变,为其运用范畴的拓宽供给了各种可能性。跟着相关技能的日趋老练,各种产品行将大规模地进入普通人日子的各个旮旯,为人类带来严重的科技革新。最具有运用远景的范畴是医疗、运动和文娱。

  生命体征监测:人们日常运用的日子物品(如眼镜、手表、手环、服饰等)能够紧身佩带来完成体征参数感知的意图;

  长途医治帮忙:在监测之外,穿戴式设备集成的电极、振荡反应等功用能够为医护人员供给长途医治的技能支撑。比方穿戴式的除颤器。

  例如,心电监测(ECG、单导)iRhythm Tech是单导心电的前驱,美国上市公司,其对标产品是Holter,现在占有美国>10%的动态心电图商场,是单导心电的前驱。其算法最早运用神经元(AI)算法(数据量40万+),可接连监测时刻2周;但不支撑实时数据传输和剖析,用户佩带完后需寄回厂家读取数据。

  运动健身:经过移动终端周边的可穿戴运动传感器及部分生物传感器,实时记载运动量、耗费热量、心率、睡觉状况等参数,特别适用于健身方针盯梢及监测。

  智能家居:穿戴式设备将人类个别指令的掩盖规模扩展到了整个寓居环境,包含了居室内部的家电、灯火、白叟关照设备。

  游戏文娱:根据多种可穿戴设备及新式交互形式推翻了传统电子游戏的鼠标加键盘的方法,在新的解决计划中,能够选用体感、姿态、声响及意念等方法文娱。

  军事运用:单兵作战设备集成多种环境传感器来更好地侦测战场环境,运用生物传感器检测战士的体能状况来供给保证服务等。

  (1)临床研讨问题包含临床危险猜测、疾病确诊评价、移动健康筛查、药物功效监测、辅佐临床试验等。

  2020年Injury杂志研讨报导,当时病房用于长途无线监测患者生命体征的体系能够检测出术后高危患者产生不良事情,经过向护理人员前期宣布病情恶化的正告,来进步患者的安全性。

  根据触控的交互形式推翻了传统的根据键盘鼠标外设的交互方法,可是多点触控在可穿戴设备的运用中相同具有较大的局限性。经过手势(非触控式)、眼动、姿态、语音等方法进行交互,使得可穿戴产品更具有普及性。

  可穿戴设备操作体系可分为两大类:一类是适用于手环等根底设备的实时操作体系(RTOS),另一类是适用于智能手表和眼镜的Android体系、苹果Watch OS、三星Tizen、腾讯Tencent OS和阿里巴巴Yun OS。

  医疗芯片的研制需求凭借微电子学与生物医学范畴的结合。可穿戴式医疗芯片首要用于收集及处理要害生理信号,以此取得相应的生理信息,实时监控运用者的健康状况,完成对突发病症进行及时救治、对严重疾病的防备,下降死亡率。

  大都生理信号起伏很小,频率很低,简单被传感器、电路、周围环境等搅扰;可穿戴式的运用场合要求芯片低功耗、小体积、佩带舒适度。

  新冠疫情期间,可穿戴生理监测设备成为长途接连监测患者和慢病老龄患者健康状况的最佳辅佐工具。Fitbit智能穿戴设备的感应器,侦测运用者的呼吸频率、心率、以及心率变异度,发现部分新冠肺炎患者呈现呼吸频率与心率添加、HRV下降的状况。研讨的前期成果显现,它能够在参与者呈现症状前一天检测到近50%的新冠肺炎病例,特异性为70%。

  数据误差致成果偏倚,假阴性率增高,使得患者错失最佳医治机遇;假阳性率增高,过渡医治患者焦虑。

  虽然监测数据的可靠性不断进步,但没有很多运用于实践医疗实践中,用户交互才干较低、患者不信任的心情也会导致患者参与度下降。而可穿戴设备的技能安全、用户交互和数据可解释性是患者和医护人员承受这项技能的一些要害因素,因而,在开发穿戴式生理参数监测设备的一起,了解并重视患者及医护人员对先进可穿戴设备的情绪,树立大型研讨讨论设备是否能真实下降受试者健康危险来评价设备的临床功效,才干更好地推进技能的展开。

  解放军总医院榜首医学中心麻醉科副主任,主任医师,教授,博士研讨生导师。我国晚年医学学会常务理事,我国晚年医学学会麻醉学分会副会长,我国神经科学学会麻醉与脑功用学会委员,北京医学会麻醉学分会晚年麻醉学组委员。国家自然科学基金评定专家,临床麻醉学杂志通讯编委。曾掌管国家自然科学基金2项及其它省部级课题4项,作为首要研讨主干参与科技部要点研制项目、军委科技委173项目及戎行十二五要点课题等多项研讨。相关研讨成果获戎行科技进步一等奖及二等奖各1项。荣立三等功1次。

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