可穿戴设备在慢性非传染性疾病中的研究进展

郑敏，邵文亮，徐岩，李挥(通信作者)

1 河北省药品医疗器械检验研究院 (河北石家庄 050299)；2 河北医科大学公共卫生学院 (河北石家庄 050017)

慢性非传染性疾病是对一类病因隐匿复杂、病程长且病情迁延不愈疾病的总称，常见的有糖尿病、心脑血管疾病(主要包含高血压、脑卒中和冠心病)、癌症、慢性呼吸系统疾病(主要包含慢性阻塞性肺疾病、哮喘)。该类疾病对人体损伤极大，易造成伤残，影响患者的劳动能力和生活质量，且昂贵的治疗费用给患者及其家庭带来了沉重的经济负担，漫长的病程且病情迁延不愈加重了患者的心理负担，因此，针对慢性非传染性疾病的防治尤为重要，对该类疾病的早期诊断和治疗后的长期监管也是临床面临的一大挑战。近年来，互联网、大数据技术占据了智能化发展的主流，改变了人们的生活方式，其中智能手表、智能手环、谷歌眼镜等已被广泛应用于日常生活中。医学上已开始采用智能化的可穿戴设备对慢性非传染性疾病患者进行监测，特别是针对患有糖尿病、心脑血管疾病的患者。因此，本研究基于可穿戴设备在慢性非传染性疾病中的研究进展作要概述。

1 可穿戴设备在常见慢性非传染性疾病中的研究

1.1 糖尿病

糖尿病是一种以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，由多种病因引起，主要表现为胰岛素分泌不足或利用缺陷。长期碳水化合物、蛋白质和脂肪组织代谢紊乱可引起多系统损伤，糖尿病患者病情严重时会导致感染性疾病、慢性并发症、糖尿病足、动脉粥样硬化性心脑血管疾病等多种并发症。在我国，糖尿病是导致非创伤性截肢、成人失明、终末期肾脏病的主要原因，据WHO公布，糖尿病是2016年世界第七大主要死亡原因[1]。因此，为了有效、便利地监测血糖水平，开发和应用可穿戴的血糖监测设备尤为重要。

目前，可穿戴的血糖监测设备有侵入性、微创性和无创性3种[2]。虽然测定静脉血浆中的葡萄糖浓度是监测血糖水平的金标准，但频繁的采血不仅增加了患者的痛苦，还加重了患者的心理负担，降低了患者的依从性，不利于实时监测。微创性是基于细胞间质液的检测方法，主要有透皮式抽取技术和皮下植入式技术两种方式，相较于侵入性可穿戴设备，损伤小且可实现实时监测，但价格昂贵且存在疾病感染的风险。无创性检测具有较高的患者依从性和积极性；有研究表明，可穿戴的微型传感器可实现无创血糖监测；汗液、泪液和唾液中的葡萄糖浓度与血液中的葡萄糖浓度相关[3]。已有研究表明，基于汗液的智能手表传感器、基于泪液的智能隐形眼镜传感器和基于唾液的智能牙线传感器可用于血液中葡萄糖浓度的检测[4-7]。

为防止针对糖尿病的管理治疗不完善，对其并发症的预防与监测亦至关重要。糖尿病患者一生中发生足溃疡的风险约为15%[8]，1年复发的风险约为40%[9]，Novice等[10]通过一项匿名、自愿的调查，评估高危糖尿病患者是否愿意推进可穿戴技术预防糖尿病足溃疡的形成，研究表明，建议医疗保健专业人员将可穿戴技术应用于高风险患者中，且应提高利用率。有研究证明，智能鞋、袜和鞋垫可起到降低糖尿病足患者复发风险的作用[11-12]。Basatneh等[13]探讨了医疗物联网(Internet of medical things，IoMT)在糖尿病足溃疡患者中的应用，通过对可穿戴传感器、智能家居设备和IoMT的联合研究，实现对糖尿病并发症的预防。Huchegowda等[14]开发了一种专为糖尿病神经病变患者设计的压力传感器鞋垫，该模型通过压力传感器在足部指定位置测量足底压力值，并与移动应用设备相连接，同时根据控制器发出的信号，在一定时间间隔内对足部穴位进行刺激以减轻疼痛。

1.2 心脑血管疾病

1.2.1高血压

高血压是由遗传、环境、生活及饮食习惯等因素共同作用导致的慢性非传染性疾病，是导致心脑血管疾病的危险因素之一，由其导致的死亡人数占全球总死亡人数的14%[15]，因此，针对高血压的监管势在必行，市场上也出现越来越多的可穿戴设备被用于高血压的监测。臂带式可穿戴设备是利用光电容积脉搏波信号通过光电传感器记录血管吸收或反射的光量，可用于监测脉搏波形、血氧饱和度、脉搏波传导速度等，间接反映血压水平，是目前常用的无袖带血压技术[16]。Zheng等[17]利用无袖带血压技术准确地监测到了夜间高血压患者。此外，指套式的可穿戴设备在测试中也取得了令人满意的结果，相较于臂带式可穿戴设备更小巧、方便。

董壮壮等[18]探索了基于脉搏波速法的智能手环在高血压患者中的应用情况，针对选取的高血压患者，以水银血压计和智能手环两种方式对血压进行测量，结果表明，智能手环的检测不仅在准确率上与水银血压计检测结果的差异不显著，还节省了时间成本，提高了效率。此外，智能手环具有即时、便捷的特点，患者可随时随地进行监测，获取准确的实时数据，实现了更好的自我管理，减轻了医务人员的工作压力。

1.2.2脑卒中

脑卒中是世界范围内造成患者残疾的主要原因之一。患者伴有长期的运动和日常生活活动功能障碍，给其本人及家庭和社会带来了极大的负担。可穿戴设备可客观地评估和监测患者在临床内外的环境，更详细地评估损伤。用于脑卒中研究的可穿戴传感器主要有惯性测量单元、表面肌电描记术、电位器/编码器和柔性传感器4种，其具有的便于携带和可获得有效结果的优势进一步支持这些传感器作为恢复阶段长期训练的一种选择[19]。Salazar等[20]利用惯性传感器通过监测患者简单活动中上肢的加速度数据，来检验活动的质量，用于协助康复治疗师进行临床康复训练。梁嘉欣等[21]通过智能足底压力视觉反馈可穿戴技术，对15例恢复期脑卒中患者进行平衡功能训练，30 min/次，经过20次训练后，与对照组15例进行比较，Berg平衡量表、“起立-行走”计时测试和睁眼-闭眼静态平衡率与训练前的差异更大，结果表明，应用可穿戴智能足底压力视觉反馈设备进行平衡功能训练可以改善脑卒中患者的平衡功能。可穿戴设备主要用于收集在患者康复治疗过程中的运动、肢体活动情况，相较于传统的康复治疗技术，可穿戴技术在数据记录与收集、远程指导与操控方面均展现出明显的优势[22]。

1.3 癌症

癌症是起源于上皮细胞的恶性肿瘤，具有生长迅速、侵袭性强和可迁移的特点，可对人体造成严重的危害。其发生过程复杂，可由化学、物理、生物、遗传等因素共同导致，目前能彻底治愈的极少。乳腺癌居女性恶性肿瘤发病率首位，发病人数约占女性肿瘤发病人数的1/3，且呈上升趋势[23]。乳腺癌的早期筛查及合适的临床检测、治疗对控制由其引起的患者预后差乃至死亡极其重要。

裴静等[24]应用可穿戴手术导航系统对20例早期乳腺癌患者进行前哨淋巴结活检，与对照组20例使用明德系统检测的患者比较，完成时间与前哨淋巴结检出数量的差异显著，前哨淋巴结检出率、准确度和灵敏度无显著差异，结果表明，可穿戴手术导航系统的检出率、准确度和灵敏度与明德系统相当，且所需时间更短，手术效率更高。Millstine等[25]的研究表明，对于新诊断的乳腺癌患者，可穿戴脑电图冥想装置可成为减轻其术前压力的一种有效工具，可缓解患者疲劳，改善生命质量。Rahman等[26]设计了一种可穿戴、生物可降解的天线型文胸用于未来早期乳腺癌的检测，天线的材料为5-(4-全氟己基)苯基噻吩-2-甲醛化合物，弯曲条件下的机械柔韧性和电磁性能表明，该天线可以很容易地被放置在文胸内，且成本低、易于安装、重量轻，具有一定的发展潜力。

1.4 慢性呼吸系统疾病

WHO定义慢性呼吸系统疾病是以慢性阻塞性肺疾病为代表的一系列疾病。其主要病种包括慢性阻塞性肺疾病、慢性肺源性心脏病、支气管哮喘、支气管扩张、肺癌、间质性肺病、睡眠呼吸障碍，其中以慢性阻塞性肺疾病、哮喘最为常见。研究表明，我国40岁以上人群慢性呼吸系统疾病的患病率达到了13.7%，20岁以上人群的患病率约为8.6%[27]。我国慢性阻塞性肺疾病的发病率及患病率均处于较高水平，据一项研究显示，我国约有1亿患慢性阻塞性肺疾病患者，且该病是世界第四大死亡原因[28]。WHO预计，到2030年，慢性阻塞性肺疾病将成为世界第三大死亡原因[29]。哮喘是一个全球性的公共卫生问题，我国哮喘患者已超过3 000万，全球每年死于哮喘的患者达38万[30-31]。

冼绮云等[32]的研究将监控型智能吸氧设备和人工调节吸氧装置吸氧设备应用于慢性阻塞性肺疾病患者中，通过比较干预后两组肺功能指标的检查结果和运动耐力的评定结果，确定监控型智能吸氧设备的应用价值，结果表明，监控型智能吸氧设备可准确监控慢性阻塞性肺疾病患者吸氧时的氧流量，有效改善患者的肺通气功能。杨妍等[33]的研究表明，应用哮喘智能管理APP进行个体化管理，对控制支气管哮喘有积极作用。

2 总结

随着科技的发展、进步，可穿戴设备不断更新换代，多种类和多功能的传感器被研发并应用于医学实践，且越来越小巧、轻便、省电、实用、美观，通过数据信息整合模块，以多种方式与手机相连接来收集、传输、处理和储存数据，从而实现对疾病的辅助诊断、监测和治疗。基于可穿戴设备联合智能终端(智能手机、智能手环等)，移动互联网的发展将使远程医疗在医疗领域发挥巨大的潜力，可实现对慢性非传染性疾病的远程监控与管理，避免不必要的住院治疗，缓解紧张的住院条件，减轻医务人员繁重的工作，消除患者沉重的心理压力，同时，患者每个阶段的监测数据均可保留，利于医疗机构的追本溯源、更好的治疗与指导用药。

3 不足与展望

可穿戴设备开发困难，其高昂的价格使很多人望而却步，尤其是需要长期治疗的慢性非传染性疾病患者，如何在保证产品质量的前提下降低成本是行业产业亟需思考的问题。智能产品的应用让我们的生活越来越精彩，然而电池的续航时间需要引起关注，如何更好地节能及延长续航时间是未来的发展趋势。此外，大数据时代导致了个人信息的泄露，若可穿戴设备的数据信息被妄加利用，将会直接危害用户的隐私安全，如何做到信息安全亦是可穿戴设备发展过程中不可回避的关键点。