王 磊

1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)2(廣東省深圳市低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055)

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可穿戴技術(shù)：全知既全能

王 磊1,2#*

1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)2(廣東省深圳市低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055)

可穿戴技術(shù)探索和創(chuàng)造能直接穿在身上、或是整合進(jìn)用戶的衣服或配件的設(shè)備。本文簡要介紹了可穿戴技術(shù)的內(nèi)涵及發(fā)展趨勢。

可穿戴技術(shù)

自20世紀(jì)60年代可穿戴計(jì)算提出到如今的飛速發(fā)展，具有各種神奇功能的可穿戴設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，發(fā)明家 Alan Lewis 打造的配有數(shù)碼相機(jī)功能的可穿戴式計(jì)算機(jī)能預(yù)測賭場輪盤的結(jié)果[1]；1977年，科學(xué)家 Colin 制作了盲人背心，把頭戴式攝像頭獲得的圖像通過背心上的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成觸覺意象，為盲人打開了“視覺”通道[2]；20世紀(jì)80年代，一位名叫Steve Mann的高中生設(shè)計(jì)了一套裝有6502計(jì)算機(jī)的雙肩背包式多媒體攝錄設(shè)備，配置頭戴式相機(jī)取景器，實(shí)現(xiàn)了文本、圖像及多媒體素材的編輯與處理，這是第一套真正意義上的可穿戴式計(jì)算機(jī)設(shè)備； 1994年，Mann在其可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上，發(fā)明了著名的可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭[3]。進(jìn)入21世紀(jì)，GPS、藍(lán)牙技術(shù)、無線連接與傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)各個(gè)方面都得到了大力發(fā)展，使得可穿戴設(shè)備的種類不斷增加，其所具功能與智能性也不斷擴(kuò)展[4]。在可穿戴技術(shù)與設(shè)備的基礎(chǔ)上，人類可以完成以往所不能完成的許多任務(wù)。

可穿戴技術(shù)包涵兩個(gè)維度：感知與運(yùn)用。通過各種類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同人體信號(hào)、環(huán)境參數(shù)的采集，在此基礎(chǔ)上可穿戴計(jì)算機(jī)對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用智能技術(shù)結(jié)合應(yīng)用場景，開發(fā)和拓展相關(guān)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從“知”到“能”的轉(zhuǎn)化。本專題中浙江大學(xué)高凡等采用了基于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)型氣體傳感器陣列，研制了一種穿戴式的實(shí)時(shí)環(huán)境移動(dòng)監(jiān)測電子鼻，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在任意地點(diǎn)監(jiān)測環(huán)境中特定類型有害氣體的濃度[5]，是典型的從感知角度來拓展可穿戴技術(shù)的發(fā)展；又如電子科技大學(xué)的郜東瑞等研究者，通過對(duì)眼動(dòng)的記錄，將眼動(dòng)記錄解析為具體的指令，以達(dá)到交互的目的，使用者僅通過眨眼便能控制人機(jī)交互界面上的虛擬鍵盤進(jìn)行字符輸入，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中文、英文及數(shù)字的輸入[6]。

在可穿戴系統(tǒng)的傳感層面，本專題中東華大學(xué)張曉峰針對(duì)當(dāng)前可穿戴電子產(chǎn)品對(duì)柔性可拉伸纖維基傳感元件的需求，采用原位聚合法制備了3種不同的聚吡咯導(dǎo)電織物，并以這3種導(dǎo)電織物分別為傳感元件，用于測量人體上肢在不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下的電阻變化及其方向性差異。所研制的聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物不僅能反映出上肢在準(zhǔn)靜態(tài)下的彎曲運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還能表征人體上肢的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[7]。本專題中吳建寧等提出了一種用于低功耗的體域網(wǎng)加速度數(shù)據(jù)壓縮感知處理框架，降低相應(yīng)節(jié)點(diǎn)壓縮算法復(fù)雜性和數(shù)據(jù)傳輸量，實(shí)現(xiàn)低功耗遠(yuǎn)程獲取加速度數(shù)據(jù)[8]。

在可穿戴系統(tǒng)的信息感知層面到完成具體任務(wù)的表達(dá)層面，數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)也占據(jù)著非常重要的作用，本專題中重慶郵電大學(xué)的羅智勇等在無線身體局域網(wǎng)(WBAN)傳輸技術(shù)中設(shè)計(jì)的超寬帶陷波天線，在超寬帶的輻射頻段內(nèi)具有較寬的阻抗匹配特性和良好的陷波特性[9]，更好地滿足了可穿戴系統(tǒng)的傳輸需求。

從可穿戴技術(shù)的應(yīng)用場景來看，主要分為三大種類型：一為與運(yùn)動(dòng)和健康輔助相關(guān)的手環(huán)類、健康監(jiān)測類技術(shù)與設(shè)備；二為可以不依附于智能手機(jī)的獨(dú)立智能設(shè)備；三為互聯(lián)網(wǎng)輔助產(chǎn)品及與物聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)的體感設(shè)備。其中，可穿戴醫(yī)療健康設(shè)備是目前具有較為明確商業(yè)模式的一類，在用戶的生理參數(shù)檢測與長時(shí)監(jiān)測都有較多的產(chǎn)品類型。

睡眠監(jiān)測與分析是其中具有較廣應(yīng)用的一類可穿戴設(shè)備。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉志勇等在基于腦電信號(hào)的睡眠分期算法研究中，采用小波變換對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行降噪，通過非線性符號(hào)動(dòng)力學(xué)分析、去趨勢波動(dòng)分析以及頻譜分析提取了符號(hào)熵指數(shù)、去趨勢波動(dòng)指數(shù)以及δ頻帶能量比參數(shù)，理論上可將睡眠分期正確分類，精度達(dá) 90%，為睡眠分析的臨床應(yīng)用和設(shè)備研發(fā)提供了指導(dǎo)意義[10]。對(duì)于人體的生理參數(shù)，本專輯中華南理工大學(xué)薛俊偉等利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)完成的監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測的人體血氧飽和度和體溫監(jiān)測[11]；電子科技大學(xué)郜東瑞等研制的高共模抑制比全頻段腦電采集系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)直流校正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了DC～1 000 Hz全頻段的腦電信號(hào)采集[12]?？纱┐骷夹g(shù)不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)在人體參數(shù)的感知和檢測，更能將一些有助于治療和健康評(píng)估的設(shè)備集成為可穿戴的系統(tǒng)之中，本專題中北京信息科技大學(xué)的楊虎等研制了一種波形、脈寬、重復(fù)頻率和強(qiáng)度等多參數(shù)可調(diào)的經(jīng)顱微電流刺激儀，可被廣泛用于改善和治療焦慮、抑郁和失眠等不適應(yīng)癥的經(jīng)顱微電流刺激治療中[13]。

目前的可穿戴技術(shù)研究中包涵感知與運(yùn)用兩個(gè)維度相關(guān)的技術(shù)：在感知方面方面，新型傳感技術(shù)的發(fā)展可以以各種適宜的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)、信息的采集，例如電子織物、眼動(dòng)監(jiān)測、生理參數(shù)傳感器等；在傳輸技術(shù)方面，體域網(wǎng)、超寬帶、低功耗藍(lán)牙等傳輸協(xié)議為穿戴式系統(tǒng)的續(xù)航能力、便攜性帶來了新的可能性；在運(yùn)用層面，新型人工智能及機(jī)器學(xué)習(xí)方法、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的出現(xiàn)，將抽象的、多維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，可以挖掘出無限種的可能性。同時(shí)，隨著相關(guān)的技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，更多的感知信息及分析技術(shù)，將會(huì)使得人類在可穿戴設(shè)備的協(xié)助下，完成更多以往所不能完成的任務(wù)。

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專題組稿人簡介

王磊，生物醫(yī)學(xué)工程博士、博士后，博士生導(dǎo)師。2000—2007年在英國格拉斯哥大學(xué)(University of Glasgow)、系統(tǒng)級(jí)集成研究所和倫敦帝國學(xué)院(Imperial College London)從事科研和教學(xué)工作。2007年加入中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，現(xiàn)任生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所副所長、醫(yī)療機(jī)器人與微創(chuàng)手術(shù)器械研究中心主任。

王磊博士是中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”研究員，深圳市“鵬城學(xué)者”特聘教授，廣東省“低成本健康技術(shù)”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)核心成員；深圳市高層次領(lǐng)軍人才、海外高層次人次、杰出青年，深圳市政府特殊津貼專家；廣東省“基層醫(yī)療設(shè)備集成技術(shù)工程中心”、深圳市“低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“生物醫(yī)療電子與健康信息技術(shù)平臺(tái)”主任。對(duì)低頻率低功耗低噪聲醫(yī)用集成電路設(shè)計(jì)與人體通信等人體傳感器網(wǎng)絡(luò)(body sensor networks, BSN)技術(shù)和BSN在醫(yī)療機(jī)器人與可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用有深入研究。作為主要負(fù)責(zé)人, 承擔(dān)國家科技重大專項(xiàng)、國家863計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金，中科院重點(diǎn)部署、STS，重大培育、技術(shù)開發(fā)、國際合作等重大科研項(xiàng)目，近五年獲科研經(jīng)費(fèi)資助3 000多萬元。累計(jì)發(fā)表科研論文200余篇，其中SCI/EI/ISTP索引150余篇，累計(jì)SCI影響因子82點(diǎn)，近5年科研論文被引1 400余次。出版《低成本健康集成技術(shù)》等專著和專著章節(jié)9部。獲兩項(xiàng)國際和12項(xiàng)發(fā)明等共28項(xiàng)專利的授權(quán)，1項(xiàng)發(fā)明專利獲中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)(2013年)，多項(xiàng)專利已轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化到企業(yè)，50余項(xiàng)發(fā)明專利已授理。作為技術(shù)持有人和首席科學(xué)家，先后孵化5個(gè)國內(nèi)外高科技企業(yè)。獲中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)(2014年)、吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)(2014年)、深圳市產(chǎn)業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新人才獎(jiǎng)(2012—2014年)、廣東省醫(yī)藥科技二等獎(jiǎng)和IEEE EMBC、EPSRC學(xué)術(shù)會(huì)議獎(jiǎng)等榮譽(yù)稱號(hào)。是IEEE會(huì)刊等多個(gè)學(xué)術(shù)刊物審稿人。

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， 錄用日期:2015-11-09

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(71531004)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA02A604)；廣東省影像引導(dǎo)治療技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2011S013)

編輯部

R318

A

0258-8021(2015) 06-0641-03

# 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

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

專題：可穿戴技術(shù)

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院王磊研究員負(fù)責(zé)了本專題的策劃、組稿和審閱工作，我們對(duì)王磊研究員所付出的辛勞表示深深的感謝！