脉诊疾病预警定位智能手环的发明设计※

王　利　张思琪　曹继刚（湖北中医药大学基础医学院，武汉　430065）

脉诊疾病预警定位智能手环的发明设计※

王利张思琪曹继刚*
（湖北中医药大学基础医学院，武汉430065）

疾病预警定位智能手环主要由红外监测技术和GPS/GSM双定位系统组成。通过红外监测技术所得数据结合国家973项目四诊客观化的研究结果提示医护人员对佩戴者的中医诊疗。其技术特点主要包括：通过机体组织对不同波长光的吸收度不同，创新性的监测佩戴者的血氧饱和度并使心率监测值更加精确；定位信息通过GPS/GSM与计算机终端连接，使定位范围更加广泛，精准度高；用户信息由蓝牙数据传送，稳定性强，传送速度较快，方便救护人员迅速，反应及时救援。

智能手环；四诊客观化；心率监测；GPS/GMS定位；可穿戴

我国已进入老龄化社会，65岁及以上老年人已达1.5亿。按30%的发生率估算每年将近4000多万老年人至少发生1次跌倒，跌倒是我国65岁以上老年人死亡的首位原因［1］。中共十八届五中全会决定，坚持计划生育的基本国策，全面实施一对夫妇可生育两个孩子政策。这意味着未来将大规模出现两位青年人要同时照顾四位老人和两个孩子的社会现象。青年人对老人所能分散的精力大大减少。子女大多不在身边的慢性病患者，由于医疗资源与社会养老院的匮乏，只能选择在家养病，但急性发病时却常因家中无人而无法得到即使救治，甚至出现“死亡47年后才被发现”的惨剧。为解决近年来凸显的的社区养老问题，与“老人摔倒无人敢扶”、“老人走失走散”、“老人死在家中无人发现”等社会现象。本文就疾病预警定位智能手环的设计灵感、四诊客观化的运用、红外监测技术、以及手环与手机终端之间的通讯连接进行了介绍。

1　设计灵感

1.1便携式指脉氧检测仪的启发 目前血氧饱和度仪的测量方法主要是红外光谱光电法，SpO2是根据血红蛋白 （Hb）具有光吸收的特性设计而成［2］。脉搏血氧饱和度的检测常运用于各种疾病的监控，对病人生命体征的变化有早期的提示预警作用。而慢性疾病预防、早期诊断和护理是医疗电子的主要目标应用。随着小型化成为可能，便携个人医疗电子装置成为新的焦点。移动医疗电子产品的复杂程度即将进入新的阶段［3］。指脉氧检测在医疗、体育、生活等方面的大规模运用，指脉氧检测的便携化发展成为当今社会必然趋势。

1.2 GSM与GPS智能定位方法 GSM网络定位是利用移动通信公司的服务提供商（SP）提供的位置服务向公众提供高精度定位业务。无论在室内还是室外，只要有移动网络覆盖并且开展位置服务的地方即可实现定位。GPS定位和GSM网络定位双定位终端的设计思想是集成GPS和GSM网络定位两种定位方式。该定位终端收到定位请求之后，实时获取 GPS提供的经纬度、速度、时间等信息和GSM网络提供的位置服务信息，并以短消息的形式发送给请求位置的手机或者控制中心［4］。该定位方式用于可穿戴设备中的操作相对简单，且仅利用GSM卡及相应读卡设备就可实现定位，在大大减小的技术难度的同时节省了佩戴空间。

2　四诊客观化的运用

在国家973项目的多项研究成果的指导下，以中医四诊采集的量化技术为前提，建立中医证候诊断标准，从而通过检测数据对患者进行统一辨证的技术逐渐成熟。

2.1四诊客观化的运用原理 四诊客观化在疾病预警定位智能手环中的运用主要体现在脉诊方面。中医认为气和血是形成脉搏的物质基础，心气鼓动和血在脉中流动从而形成脉搏。现代生理学认为，脉搏是由心脏射血活动引起的一种血液和血管壁的振荡，这种振荡所产生的波，从主动脉根部开始，沿动脉树向外围脉管传播［5］。从血液动力学的角度讲，动脉脉搏是心脏的张缩引起的、沿着血管传播的一种机械波。动脉管壁随心室的舒缩而出现周期性的起伏搏动，沿动脉管壁向末梢血管呈波形扩播，称脉搏波。其本质在于心脏搏出的血流导致的压力扰动和流量扰动，即血流动力学改变的影响。而血液不停地随血液循环流经机体的各个组织器官，因此血液必定带有机体各组织器官以及血管和血液本身的信息。这些信息必然影响到脉搏，使脉搏本身成为信息，同时，血液流经各个组织器官时，各组织器官都处于其各自当时的生理或病理状态下，组织器官的生理或病理状态必然对血液和血管造成影响，从而影响到脉搏。这时的脉搏必然携带着组织器官的生理或病理状态的信息。故脉搏又是机体生理或病理状态产生的随机信息的载体，所以，脉搏具有信息和载体的两重性［6］。基于以上理论我们可以通过脉搏的变化来了解人体的各项生理病理信息，血液动力学产生的脉搏波的变化支持中医学可以通过脉诊了解人体各项生理病理情况这一理论。而《素问·五藏别论》云：“胃者，水谷之海，六腑之大源也。五味入口，藏于胃，以养五脏气，气口亦太阴也。是以五脏六腑之气味，皆出于胃，变见于气口。”因此疾病预警定位智能手环可以通过对寸口处的脉搏的压力、血氧、脉率波形图进行监测，并且针对不同年龄段、不同生理情况等人群的监测数据进行统计学分析，得到不同脉象的标准化脉象图。将佩戴者的脉象图与标准脉象图对比，所得结果作为参考可以针对不同的佩戴者制作个性化诊疗方案。

2.2四诊客观化的运用优势 四诊客观化将中医的诊断依据具体化、标准化使其少受或者不受外界因素和医生主观意念的影响。目前大多数智能手环设备功能较为基础，对佩戴者的血氧饱和度及脉搏波不具有监测和分析能力。疾病预警定位智能手环充分利用四诊客观化理论及成果，将收集到的脉搏波图对比标准脉象图，即可得到佩戴着的脉象，并提示医生根据不同的脉象制作不同的诊疗方案，充分的体现中医学“因人制宜”的诊疗理念。将一般手环的检测方向从运动检测、睡眠监测转化为标准化的医疗检测，检测方向与独居、患病、行动不便的老人这一目标人群更加切合。

3　红外监测技术

3.1红外监测技术的监测原理 光学法是一种连续的、无损伤的血氧测定方法。由于人体血液中的氧合血红蛋白（O2Hb）和没有被氧合的血红蛋白（Hb）对于不同波长光的吸收系数的不同。在红外光区域，Hb的吸收系数小于比O2Hb，因此在富含氧的血液通过时，红外光就会被更多的吸收掉，导致传递到光电接收管的信号减弱，反之则增强。

在光学法中无创性脉搏血氧测定法，即利用手指或耳廓作为盛装血红蛋白的透明容器，使用波长660 nm的红光和940 nm的近红外光作为入射光源，测定通过组织床的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度［7］。

疾病预警定位智能手环受指脉氧检测仪启发通过以上原理在手表上安装能同时发射波长为660 nm的红光和波长为940 nm的近红外光的发光二极管，使其能对被监测部位发出指定光源，同时，在发光二极管同侧安装光敏传感器，来吸收穿过人体组织的光，将人体腕部组织作为“盛装血红蛋白的透明容器”对该处血氧饱和度进行监测；发光二极管与光敏传感器之间的绝光性良好，即两者之间不通过出人体组织外的其他介质进行光信号的交换，减小测量误差；发光二极管与光敏传感器紧贴体表皮肤，且除与皮肤接触部位外，其他部位均用黑色橡胶密封，防止外界光源对监测产生干扰。另外，疾病预警定位智能手环也配备有红外脉搏传感器，由于心脏跳动而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，红外脉搏传感器通过接收穿过人体组织的红外光信号，经过信号放大、调理、整形输出完整的脉搏波电压信号，得到人体的脉搏波。

3.2红外监测技术的运用优势 红外监测技术在疾病预警定位智能手环上的运用具有以下5点优势：（1）工艺简单，安全无创。基于于指脉氧工作原理，佩戴者血氧、心率均可以通过现今已成熟红外技术监测，运用光学原理进行检测，产品辐射小，为无创检查。（2）使用寿命长，不易损坏。红外原件的损耗主要来自发光二极管，而发光二极管在正常电流应力50 mA下红外LED（即红外发光二极管）的平均寿命和中位寿命：μ=1.59052×107 h，t0.5=1.25999×107 h［8］使用年限较长；发光二极管、光敏传感器及红外脉搏传感器与皮肤的接触面均有纯透明橡胶保护，避免电子元件损害。（3）耗能小，成本低。红外原件的使用功率较小，电压≤3 VDC，电流≤50 mA；且各项电子元件成本较低，如红外发光二极管的价格可控制在每千个80元左右。（4）数据可信度度高。红外监测血氧、心率的数据均是依据血液动力学原理，心率测量精度+2%、血氧饱和度测量精度+2%（75%～100%）、血流灌注指数0.1%，且该技术原理已在医疗范围内广泛使用，在医疗诊断上具有一定的参考性。（5）独立设计，自主监测。红外监测使用的芯片与定位芯片完全分离，方便仪器的排障与维修；监测佩戴者数据时可通过红外线识别被测距离，监测面与体表测量部位接触时，仪器自动开启并显示被测人员的相关数据，反之，在产品离开体表测量部位或是接触其他非人体组织物时，仪器将发出声音提示，并在8 s内自动关机。

4　手环与手机终端之间的通讯连接

4.1手环监测数据与手机终端的连接 疾病预警定位智能手环的红外监测数据通过蓝牙设备 （2．4 GHz蓝牙无线技术）与计算机进行连接，支持点对点及点对多点通信，从而实现人机互动。同一台计算机可与多个手环连接，形成局域网，方便实时监测和统一管理。且无线连接技术主要是通过2．4 GHz蓝牙无线频段进行，2．4 GHz是世界公开通用蓝牙无线频段，大部分的设备（例如手机、电脑、平板）都支持蓝牙，可以方便地接受这个频段的信号进行连接，实现多平台操作［9］，适用范围广。同时，蓝牙工作的 2.45 GHZ的ISM（工业，科学和医疗）频段为完全开放的频段，在使用 ISM频段时会遇到不可预测的干扰源为此 Bluetooth规范特别设计了快速跳频扩谱（Frequency Hopping Sprend Spectrum）方案［10］，具有极强的稳定性。

4.2定位装置与手机终端之间的通讯连接 疾病预警定位智能手环运用GPS与GSM双定位系统。全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是由24颗人造卫星和地面站组成的全球无线导航与定位系统。GPS卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解析精度［4］。GPS/GSM卫星定位公众服务系统是利用已有运营的GSM网络，通过计算机网络系统，应用GPS定位技术和电子地图系统，为社会上广大公众的各种车辆及近海船只提供报警、看车及导航等多种服务。系统通过建立指挥中心，分区设置监测台站辐射覆盖，形成大范围监测网络，对网内用户报警目标进行实时监测，动态跟踪，把监测目标的位置信息和移动轨迹显示在详细准确的电子地图上，并根据用户档案和背景资料确认用户要求的功能服务，进行实时处理，采取对应措施［11］。通过移动信息平台如电信、移动等公司的SIM即可实现GPS与GSM的定位，且可以准确的将定位地址以短信形式发送至指定手机或电子终端。

5　结语

疾病预警定位智能手环受便携式指脉氧及移动互联网的GPS/GSM双定位方法，致力于解决日益严重的社会养老问题。本产品采用红外检测技术，增加了血氧饱和度以及脉波图等监测功能，并创新性的结合四诊客观化原理，用监测数据提示中医诊疗方案，将现代智能医学与中医学理论相结和，方便医护人员针对佩戴着的不同需求指定个性化诊疗方案。GPS/GMS双定位系统的运用解决了GPS在房屋密集处无定位信号，及深山等通讯信号难以传出的问题。本产品适用范围广，操作方式简单，运用成本低，具有广阔的市场前景。

［1］武少龙.对“老人跌倒该不该扶”的伦理思考［J］.商品与质量，2011（SA）：212.

［2］于巍，古庆恩，李信政，等.无创伤脉搏血氧饱和度测量技术及进展［J］.医疗设备信息，2007，22（9）：49-52.

［3］苌飞霸，尹军，颜乐先，等.一种可穿戴式无线体域网系统的研究［J］.生物医学工程与临床，2014（5）：413-416.

［4］姜西瑞，程振林，方金云，等.GPS和GSM双定位终端的软硬件设计与实现［J］.计算机工程，2006，32（20）：244-246.

［5］费兆馥，张志枫.中医脉诊的图象化和定量化［J］.自然杂志，1995，17（5）：269-274.

［6］祁晓民.浅议疾病、血流动力学改变与中医脉象的关系［J］.现代中西医结合杂志，2006，15（19）：2600-2602.

［7］应明英，闵龙秋.脉搏血氧饱和度仪的原理及临床应用［J］.国外医学，麻醉学与复苏分册，1991，12（2）：76-78.

［8］张建平，武文丽，朱文清.Weibull分布下基于MLE的红外发光二极管寿命预测［J］.半导体光电，2011，32（1）：47-51.

［9］李蛟，杨仁锟，肖峻.2.4 GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能［J］.电信工程技术与标准化，2006，19（3）：31-35.

［10］蒋伟荣，黄晓林，梁玉红.Bluetooth技术体系及其设计应用技术［J］.计算机时代，2002（5）：1-3.

［11］李明，陈晓，何锋锋.GSM网络在GPS/GSM卫星定位公众服务系统的应用［J］.移动通信，2008，32（13）：60-64.

Design of Intelligent Disease Warning Wristband Instrument

WANG Li，ZHANG Siqi，CAO Jigang
（Basic Medical Collegel，Hubei University of Chinese Medicine，Wuhan 430061，China）

The intelligent disease warning wristband is mainly composed of infrared monitoring technology and GPS/GSM dual-positioning systems.According to the data from infrared monitoring technology，combined with the findings of the National 973 Project" four physical examinations objectivity"，it is helpful for the TCM diagnosis and treatment which comes from medical staffs aiming at the wearers.The technical characteristics mainly includ that based on the different absorbance of body tissues responding to different wavelengths of light，the innovative monitoring makes the data of saturation of blood oxygen and heart rate more accurate，and the location information connects to computer terminals through GPS/GSM，which enlarges the localization range and improves the accuracy.At the same time，the blue tooth is used to transmit data of users'information，which has strong stability and higher data-transmission speeds，promoting ambulance crews to get ready to respond rapidly and come to the rescue in time.

wearable technology；four diagnostic techniques objectivity；heart rate monitoring；GPS/GSM positioning system；wearable

10.3969/j.issn.1672-2779.2016.15.022

1672-2779（2016）-15-0051-03

国家中医药管理局全国第五批名老中医药专家师承项目（国中医药人教函［2012］123号）

caojigang722@21cn.com

（本文编辑：李海燕 本文校对：李海燕2016-03-08）