可穿戴技术：全知既全能

王 磊

1(中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055)2(广东省深圳市低成本健康重点实验室，广东 深圳 518055)



可穿戴技术：全知既全能

王 磊1,2#*

1(中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055)2(广东省深圳市低成本健康重点实验室，广东 深圳 518055)

可穿戴技术探索和创造能直接穿在身上、或是整合进用户的衣服或配件的设备。本文简要介绍了可穿戴技术的内涵及发展趋势。

可穿戴技术

自20世纪60年代可穿戴计算提出到如今的飞速发展，具有各种神奇功能的可穿戴设备陆续出现。20世纪70年代，发明家 Alan Lewis 打造的配有数码相机功能的可穿戴式计算机能预测赌场轮盘的结果[1]；1977年，科学家 Colin 制作了盲人背心，把头戴式摄像头获得的图像通过背心上的网格转换成触觉意象，为盲人打开了“视觉”通道[2]；20世纪80年代，一位名叫Steve Mann的高中生设计了一套装有6502计算机的双肩背包式多媒体摄录设备，配置头戴式相机取景器，实现了文本、图像及多媒体素材的编辑与处理，这是第一套真正意义上的可穿戴式计算机设备； 1994年，Mann在其可穿戴计算机设备的基础上，发明了著名的可穿戴式无线网络摄像头[3]。进入21世纪，GPS、蓝牙技术、无线连接与传输技术、传感器技术各个方面都得到了大力发展，使得可穿戴设备的种类不断增加，其所具功能与智能性也不断扩展[4]。在可穿戴技术与设备的基础上，人类可以完成以往所不能完成的许多任务。

可穿戴技术包涵两个维度：感知与运用。通过各种类型的传感器，实现对不同人体信号、环境参数的采集，在此基础上可穿戴计算机对相应的数据进行分析，利用智能技术结合应用场景，开发和拓展相关的应用，实现从“知”到“能”的转化。本专题中浙江大学高凡等采用了基于金属氧化物半导体(MOS)型气体传感器阵列，研制了一种穿戴式的实时环境移动监测电子鼻，实现了实时在任意地点监测环境中特定类型有害气体的浓度[5]，是典型的从感知角度来拓展可穿戴技术的发展；又如电子科技大学的郜东瑞等研究者，通过对眼动的记录，将眼动记录解析为具体的指令，以达到交互的目的，使用者仅通过眨眼便能控制人机交互界面上的虚拟键盘进行字符输入，该系统实现了中文、英文及数字的输入[6]。

在可穿戴系统的传感层面，本专题中东华大学张晓峰针对当前可穿戴电子产品对柔性可拉伸纤维基传感元件的需求，采用原位聚合法制备了3种不同的聚吡咯导电织物，并以这3种导电织物分别为传感元件，用于测量人体上肢在不同运动姿态下的电阻变化及其方向性差异。所研制的聚吡咯导电机织物不仅能反映出上肢在准静态下的弯曲运动和旋转运动，还能表征人体上肢的实时运动状态[7]。本专题中吴建宁等提出了一种用于低功耗的体域网加速度数据压缩感知处理框架，降低相应节点压缩算法复杂性和数据传输量，实现低功耗远程获取加速度数据[8]。

在可穿戴系统的信息感知层面到完成具体任务的表达层面，数据的传输技术也占据着非常重要的作用，本专题中重庆邮电大学的罗智勇等在无线身体局域网(WBAN)传输技术中设计的超宽带陷波天线，在超宽带的辐射频段内具有较宽的阻抗匹配特性和良好的陷波特性[9]，更好地满足了可穿戴系统的传输需求。

从可穿戴技术的应用场景来看，主要分为三大种类型：一为与运动和健康辅助相关的手环类、健康监测类技术与设备；二为可以不依附于智能手机的独立智能设备；三为互联网辅助产品及与物联网密切相关的体感设备。其中，可穿戴医疗健康设备是目前具有较为明确商业模式的一类，在用户的生理参数检测与长时监测都有较多的产品类型。

睡眠监测与分析是其中具有较广应用的一类可穿戴设备。哈尔滨工业大学刘志勇等在基于脑电信号的睡眠分期算法研究中，采用小波变换对脑电信号进行降噪，通过非线性符号动力学分析、去趋势波动分析以及频谱分析提取了符号熵指数、去趋势波动指数以及δ频带能量比参数，理论上可将睡眠分期正确分类，精度达 90%，为睡眠分析的临床应用和设备研发提供了指导意义[10]。对于人体的生理参数，本专辑中华南理工大学薛俊伟等利用低功耗蓝牙技术完成的监测系统实现了实时、连续检测的人体血氧饱和度和体温监测[11]；电子科技大学郜东瑞等研制的高共模抑制比全频段脑电采集系统采用了动态直流校正技术，实现了DC～1 000 Hz全频段的脑电信号采集[12]。可穿戴技术不仅仅能够实现在人体参数的感知和检测，更能将一些有助于治疗和健康评估的设备集成为可穿戴的系统之中，本专题中北京信息科技大学的杨虎等研制了一种波形、脉宽、重复频率和强度等多参数可调的经颅微电流刺激仪，可被广泛用于改善和治疗焦虑、抑郁和失眠等不适应症的经颅微电流刺激治疗中[13]。

目前的可穿戴技术研究中包涵感知与运用两个维度相关的技术：在感知方面方面，新型传感技术的发展可以以各种适宜的形态，实现各类数据、信息的采集，例如电子织物、眼动监测、生理参数传感器等；在传输技术方面，体域网、超宽带、低功耗蓝牙等传输协议为穿戴式系统的续航能力、便携性带来了新的可能性；在运用层面，新型人工智能及机器学习方法、大数据分析技术的出现，将抽象的、多维度的数据进行汇总分析，可以挖掘出无限种的可能性。同时，随着相关的技术的持续发展，更多的感知信息及分析技术，将会使得人类在可穿戴设备的协助下，完成更多以往所不能完成的任务。

[1] Popat KA, Sharma P. Wearable computer applications: A future perspective [J]. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), 2013, 3: 213-217.

[2] 张继松. 可穿戴设备的开发和应用 [J]. 磁性元件与电源, 2014, 4: 146-151.

[3] Mann S. Wearable computing: A first step toward personal imaging [J]. Computer, 1997, 30(2): 25-32.

[4] Sungmee P, Jayaraman S. Enhancing the quality of life through wearable technology [J]. Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2003, 22(3): 41-48.

[5] 高凡，张希，陈辰星，等. 穿戴式实时环境气体监测系统[J].中国生物医学工程学报，2015,34(6): 654-661.

[6] 郜东瑞，甘玉龙，李鹏霄，等. 基于眼电的智能输入系统研究[J].中国生物医学工程学报，2015,34(6):662-669.

[7] 张晓峰，李国豪，胡吉永，等. 用于人体上肢运动姿态监测的聚吡咯导电织物的机电性能评价[J].中国生物医学工程学报，2015,34(6):670-676.

[8] 吴建宁，徐海东，王珏.用于低功耗的体域网加速度数据压缩感知设计[J].中国生物医学工程学报，2015,34(6):677-685.

[9] 罗志勇，张彬，庞宇，等.一种体域网超宽带陷波天线的优化设计[J]. 中国生物医学工程学报，2015,34(6):686-692.

[10] 刘志勇，张宏民，赵辉群，等.基于脑电信号的睡眠分期算法研究[J]. 中国生物医学工程学报，2015,34(6):693-700.

[11] 薛俊伟，黄岳山，杜欣，等. 蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备的设计[J]. 中国生物医学工程学报，2015,34(6):701-707.

[12] 郜东瑞，李鹏霄，陈其友，等. 高共模抑制比全频段脑电采集系统[J]. 中国生物医学工程学报，2015,34(6):708-713.

[13] 杨虎，汪毓铎，陈新华，等. 多参数可调经颅微电流刺激仪的研制和基于脑电的效果评测[J]. 中国生物医学工程学报，2015,34(6):714-719.

专题组稿人简介

王磊，生物医学工程博士、博士后，博士生导师。2000—2007年在英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)、系统级集成研究所和伦敦帝国学院(Imperial College London)从事科研和教学工作。2007年加入中国科学院深圳先进技术研究院，现任生物医学与健康工程研究所副所长、医疗机器人与微创手术器械研究中心主任。

王磊博士是中国科学院“百人计划”研究员，深圳市“鹏城学者”特聘教授，广东省“低成本健康技术”创新团队核心成员；深圳市高层次领军人才、海外高层次人次、杰出青年，深圳市政府特殊津贴专家；广东省“基层医疗设备集成技术工程中心”、深圳市“低成本健康重点实验室”、“生物医疗电子与健康信息技术平台”主任。对低频率低功耗低噪声医用集成电路设计与人体通信等人体传感器网络(body sensor networks, BSN)技术和BSN在医疗机器人与可穿戴设备中的应用有深入研究。作为主要负责人, 承担国家科技重大专项、国家863计划、国家自然科学基金，中科院重点部署、STS，重大培育、技术开发、国际合作等重大科研项目，近五年获科研经费资助3 000多万元。累计发表科研论文200余篇，其中SCI/EI/ISTP索引150余篇，累计SCI影响因子82点，近5年科研论文被引1 400余次。出版《低成本健康集成技术》等专著和专著章节9部。获两项国际和12项发明等共28项专利的授权，1项发明专利获中国专利优秀奖(2013年)，多项专利已转移转化到企业，50余项发明专利已授理。作为技术持有人和首席科学家，先后孵化5个国内外高科技企业。获中国产学研合作创新奖(2014年)、吴文俊人工智能科学技术创新奖(2014年)、深圳市产业发展与创新人才奖(2012—2014年)、广东省医药科技二等奖和IEEE EMBC、EPSRC学术会议奖等荣誉称号。是IEEE会刊等多个学术刊物审稿人。

Wearable Technologies: Omniscience Is Universal

Wang Lei1，2#*

1(ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnologies,ChineseAcademyofSciences,Shenzhen518055,Guangdong,China)2(ShenzhenKeyLaboratoryforLow-CostHealthcare,Shenzhen518055,Guangdong,China)

Wearable technologies are clothing or accessories incorporating computer and advanced electronic technologies. This article introduces some concepts of wearable technologies and proposed some perspective about the developing trends.

wearable technologies

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.001

2015-10-30， 录用日期:2015-11-09

国家自然科学基金重点项目(71531004)；国家高技术研究发展计划(2012AA02A604)；广东省影像引导治疗技术创新团队(2011S013)

编辑部

R318

A

0258-8021(2015) 06-0641-03

# 中国生物医学工程学会会员(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: wang.lei@siat.ac.cn

专题：可穿戴技术

中国科学院深圳先进技术研究院王磊研究员负责了本专题的策划、组稿和审阅工作，我们对王磊研究员所付出的辛劳表示深深的感谢！