为了时刻关注你的健康，穿戴式人体传感器都在研究什么？

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韩世鹏   Olatunji Mumini Omisore   王磊

中国科学院深圳先进技术研究院

2800亿——据美国消费电子协会（CEA）和美国电子电气工程师协会（IEEE）报告，预计2022年，全球可穿戴设备的全年销售额将达到2800亿人民币。

600亿——据全球移动通信系统（GSM）对移动医疗行业的测算标准，预计2022年中国可穿戴设备市场销售额可达到600亿元人民币。

人体健康信息的监测、获取、处理是衡量个人健康状态最直接的方法，也是有效预防疾病威胁的重要手段。穿戴式人体传感器网络技术，是涉及可穿戴、微机电、生物医学电子等多学科的交叉技术，可实现健康全过程的跟踪与智能服务，对人体信息的动态监测和疾病预防具有重大意义。

 可穿戴医疗健康服务前景如何？

智慧医疗、移动医疗、远程医疗、家庭医疗、社区公益医疗都在催促着医疗市场快速发展，穿戴式人体传感器网络技术作为突破医疗健康检测设备和人体健康信息监测的攻坚技术，具有很大的研究价值和医疗需求。

针对可穿戴医疗健康服务的人体传感器网络技术服务呈现出3个特点。

基础医疗电子产品市场竞争更加激烈

随着中国、印度、俄罗斯、巴西、墨西哥等新兴国家经济的起飞，医疗技术的发展使医疗电子设备的主要功能从诊断治疗转向保健，并逐渐向基层普及。

这些新兴市场需要更加实用的医疗器械新产品——从最普通的电子测步表、电子血压表、电子血糖仪、电子按摩仪、电子疼痛治疗仪到价格相对较高的家用制氧机等大众医疗电子产品。

随着国际医疗电子巨头在高端市场不断收紧并向相对低端的基础市场延伸，以及我国医疗电子设备研发技术水平的提升，在上述领域国内外企业的市场竞争将更加激烈。

高端与低端医疗设备国产化进程

继续加速推进

近年来，我国启动优秀国产设备产品的遴选工作，越来越多的医院开始使用国产医疗设备，这促进了我国医疗电子行业的发展。

上海联影一体化CT-linac

一批国内优秀的医疗电子企业，如迈瑞、上海联影、万东医疗、东软医疗、深圳理邦、深圳安科等迎来发展良机，在政府相关政策与财政支持下，必定会在未来几年将一批先进技术水平的医疗设备进行产业化。

上海联影一体化CT-linac 器官自动勾勒

移动医疗等成为未来新型医疗模式

智慧医疗、移动医疗、远程医疗、家庭医疗和社区公益医疗是未来医疗行业发展的大趋势，它们将改变传统就医保健的方式，同时节省医疗资源，有效解决我国医疗管理系统不完善、医疗成本高、覆盖面窄等问题。

医疗电子产品的使用已不再局限于传统的专业医疗机构，家庭护理方面的应用需求正在急速扩张，而应用场合的转移对医疗电子产品的小型化、便携化提出了更高的要求。

随着全社会信息化程度的提高，医疗电子向网络化、远程化、无线化方向发展。未来移动医疗将逐渐渗入市民生活，市民就医从挂号到治疗都会实现网络互连，这可大幅降低患者和医院的时间成本，提高诊治效率，确保医疗服务资源的最优整合和协同效应。

 穿戴式设备有哪些研究热点 

近年来，医疗健康服务发展如火如荼，尤其以穿戴式人体传感器网络技术为核心的柔性穿戴式医疗设备创制是一个极具挑战性的研究领域，涉及“核心部件—柔性集成—医学智能—创新应用”等方面的研究工作，现阶段的研究热点主要包括。

01

生物监测

研发半导体纳米材料的高性能微纳传感器、可穿戴活性传感器、碳纳米材料超薄膜和具有仿生功能的电子皮肤、电子织物等核心器件；

02

生化传感器

研发高结晶度、高纵横比的纳米纤维素生物膜基底的表皮生化传感器，以及采用聚酰亚胺和硬质玻璃作为衬底基板，金和氧化锌作为传感电极，设计灵活可穿戴的汗液传感器，用来监测酒精浓度；

03

柔性集成

基于仿生微纳加工、低功耗集成电路（IC）设计与高密度封装技术，开发高可靠性的硬件系统。

04

人体数据通信

研究人体近端信息交互原理及信息安全理论，实现高能效人体近端通信。

05

健康状态辨识

研究适用于穿戴式生命健康数据集的机器学习方法，以及与生物信息大数据的融合技术。

06

系统供能

研究纳米发电机、柔性光能材料和基于温度梯度的能量搜集方法，开发原理样机。

07

医疗健康应用

探索穿戴式医疗设备与时尚、创新设计的融合，行业、团体标准及商业模式的设立，以及柔性可穿戴医疗康复机器人等新应用。

哪些因素在制约向大众的推广？

样机系统动态监测效果不佳，不实用

在生物检测与传感部分，对材料创新、可获取的体征参数的种类和新参数的研究较多，但是对柔性传感器的接口电路、符合人体生理学和工效学的传感器优化设计的研究较少，导致样机系统在动态连续检测时的效果变差，很多传感器不能实用。

系统柔性不理想

现有研究对传感器、IC芯片、电子电路等所有模块的柔性集成的研究较少。因此，虽然传感器是高度可柔的，但整个系统的柔性较差或几乎没有柔性，使得以人体传感器网络为核心的柔性穿戴式医疗设备的称谓“名不符实”，也导致连续检测期间运动伪差的增大和穿戴舒适性的降低。

与实际需求匹配欠缺

对柔性系统进行原理验证的探索研究比较多，但与具体医疗健康需求相结合的应用研究比较欠缺。

这3个问题严重制约了以人体传感器网络为核心的柔性穿戴式医疗设备真正被作为今后基层医疗、移动医疗的技术手段面向大众的推广。如何克服和解决这些问题，是该领域内具有挑战性和重要性的一项前沿课题。

对未来研究中关键问题的思考

基于人体传感器网络技术的穿戴式医疗设备，必须考虑“人-机-环境”三者之间的关系。

充分考虑环境与人体的“变”与“动”

如何充分考虑环境与人体的“变”与“动”来优化核心模块的可靠性是一个关键科学问题。穿戴设备所处的环境多变，人体自身也基本处于运动状态，确保柔性设备总体性能的稳定、核心模块的可靠，是非常重要的。

此外，若是可以充分利用这种“变”与“动”，建立理论模型，进而研究自适应的可靠性提升策略，可为柔性可穿戴医疗设备的实际应用打下理论基础。

提高柔性设备的信号采集精度

如何在深入理解人体健康信息的基础上提高柔性可穿戴医疗设备的信号采集精度是另一个关键科学问题。柔性设备与人体的频繁接触不可避免，电极部分更是要受到人体穿戴部位的结构、机械性能的影响，信号互扰很严重。

如何结合人体生理学与工效学，增加柔性设备贴附性、增加信号提取的“效率”，至关重要。同时，人体是一个综合的整体，如何通过体表多参数提取的有效组合，弥补单个传感器的检测精度的不足，也具有重要的理论意义和实际应用价值。

韩世鹏

中科院深圳先进技术院研究助理。主要从事柔性传感器和医用机器人等方面研究。参与国家自然科学基金、中科院重点部署等科研项目。

王 磊

中科院深圳先进技术研究院医工所副所长、微创中心主任、院纪委委员, 研究员。荣获中科院"百人计划"、中科院王宽诚率先人才计划、广东省科技创新领军人才、深圳市政府特殊津贴等多种荣誉。主要从事人体传感器网络(BSN)技术、可穿戴技术及医用机器人等方面的研究, 主持和参与了国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家"863"计划等重大科研项目。

文章节选改编自：

韩世鹏, Olatunji Mumini Omisore, 王磊. 关于穿戴式人体传感器网络的研究思考. 中国科学院院刊, 2017, 32(12): 1322-1329.

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