智能手表和可穿戴智能设备

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一种智能手表或腕带,传感器安装在桡动脉,即人体手腕脉搏位置。
功能为:时间和血压显示提醒。
能够准确的采集到脉搏波形,计算出血压。
实测测试验证,和医疗仪器测出来的波形基本一致。

脉搏波是由心脏搏动产生的。当脉搏波由心脏向动脉系统传播时,在受到心脏影响的同时,也会受到所流经的各级动脉及其分支中的各种生理因素,如血液黏性、血管阻力和血管壁弹性等的影响。因此,脉搏波中包含非常丰富的心血管生理病理信息,其波形幅度和形态可以反映血压等人体心血管系统生理病理状态。

在移动互联的时代,有很多相关应用,医疗健康类的,或者娱乐类的,需要多种多样的可穿戴式的微型终端,穿戴式计算机,微电脑,可穿戴设备,例如各种智能手表,智能腕表,智能腕带,智能手环,衣帽鞋袜,智能帽子,智能眼镜(google glass),智能鞋子,智能鞋垫,智能垫子,智能袜子,智能内衣,智能胸罩Bra(别笑,真有)等等,做数据采集,使用移动互联技术,用蓝牙和wifi把数据传输给智能手机和服务器,再由服务器进行大数据处理和分析,得出有益的结果。在体积做到足够小,功耗足够低,量足够大,成本足够低之后,这类软硬结合产品应用必定走入到我们每个人的生活中。例如现在流行的Pebble,misfit,三星galaxy gear,苹果公司iwatch(尚未面世)。

你如果也有好的想法,能解决实际问题改善生活,可以联系我们定制开发,我们可以协助把想法通过设计开发变成现实,这一般需要丰富的专业的电子产品软硬件开发技术,我们有多年深厚积累和专业团队,可以快速出样机。样机得到确认后可以生产推广。在移动互联的时代,创意,开发,生产,销售,都是十分方便的。有一定的资金即可进行。如果自有资金不足,我们也可以协助提供或募集开发资金。

这些都需要一个专业的团队运作。这是移动互联的时代,没有时间等待,今天想到没有实现,明天别人就实现了。
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这里精选了十款可穿戴式设备的芯片级实现方案,都是超低功耗,供选择.

 

 



三星在旧金山举行了一场名为“来自身体的声音”的发布会。会上,公司总裁兼首席策略管Young Sohn发布了一款基于开源平台SAMI的健身追踪腕带——Simband。
Simband可根据光学传感器及生物阻抗传感器来测量和追踪人体健康的数据,三星把这款健身腕带称作一款“临床实验性装置”,短期内并无上市的计划。据悉,这款产品与公司现有的智能手表相似,都采用正方形的外壳和大号的彩色触摸屏,并配备Wi-Fi和蓝牙模块。Simband腕带可根据佩戴者皮肤辐射波长的不同,来监测用户的血压、心率、呼吸、心率、血液二氧化碳含量等数据,日后有望加入更复杂的功能,如血糖监测等。此外,Simband还可24小时供电,并在用户睡觉时进行“腕上充电”。Young Sohn表示,我们希望未来的可穿戴设备可以实现全天候待机。
 
据称,Simband软硬件系统均将完全向开发者和模组商开放,预计SAMI开源平台的API会在今年年底向开发人员开放。公司表示,希望通过对开发者开放整个系统和模组硬件来加速可穿戴设备的创新速度。

据已公布的消息显示,硬件开发者还可把自己创建的硬件模组植入到三星Simband腕带上。软件API接口会通过SAMI云平台提供,所有采集的数据将会保存在云端。但公司表示所有云端上的数据都会受到保护,不会被市场滥用。

为了鼓励开发者能在健身追踪领域做出更多的贡献,三星还宣布投资一项名为“数字健康”挑战赛的项目,为有杰出贡献的科技初创企业和团体提供高达5000万美元的投资。

  心血管疾病是许多发达国家主要的疾病死亡原因,我国每年有300万人死于心血管疾病,占全部死亡原因的40%,是我国疾病中“第一杀手”[1]。随着人民生活水平的提高,我国心脑血管疾病的发病率不断上升,用于心血管病的医疗费用每年高达1350亿元人民币。这不仅给患者带来痛苦,更使现有的医保系统不堪重负。因此,我们必须在问题变得更严重之前及早采取检测、监控和预防措施,推动从心血管疾病终末期的高成本救治转向疾病早期预防的战略转移。
  对于心律失常等病症的检测和监护,常要用到心脏信号的检测。目前最常使用的心电检测设备为心电图机,它能记录心电信号,为临床诊断和科研常用的医疗电子仪器。但心电图机操作比较复杂,无法实时检测,且用户端设备配套起来非常不方便,不易携带。同时用户端设备只完成信号记录,对于用户而言可读性差,且必须由专业的心电医生进行分析。
  在医院内应用的心电监护系统主要有两种:一种是病房使用的心电监护系统,另一种是长时间记录病人心电数据的Holter系统,后者可以由使用者携带,只能实现心电信号的回放但不能实时做出诊断和监护,且成本较高,操作复杂,不宜在家庭中普及。我们知道心脏病发生的特点就是瞬间发生,需要随时监测。这里就出现一个问题,虽然目前已经有设备可以24h监测患者心电图,但基本都是用于危重病人,一般心脏病患者往往做不到24h心电图监测。而实际上,那些有心脏病,又没有到危重期的患者才更加需要进行心脏信号监测,才能及时发现早搏、心律失常、房颤等病情的变化,及时就医,防止病情恶化。例如,目前中国老年夫妇或一个人单独生活的“空巢家庭”数量很大,如果独居老人发生心脏病,则无法自行处理,也无人知晓他的情况,很有可能因为得不到及时治疗而死亡。而且,对于那些并没有确诊的心脏病的潜在患者,也就是日常生活中的普通人,往往会有一些疑似心脏病的症状发生和出现,能不能及时对其身体的状况迅速的做出预警和判断,从而达到预防和治疗的目的这也是一个需要注重的问题[2]。
  基于以上的分析可知,对于心电设备,不仅要强调专业性和准确性,还应该注重便携性和一定的实时性。便携式记录器这类的心电信号采集仪器,虽然具有一定的便携性,但主要是面向医院的住院病人,将病人生理信息采集、传输,实现远端病房呼叫。此病人端设备只是简单地记录、传输。所以这类产品只适合医院使用,用户层单一。同时,这类产品功能相对简单,更多时候只是起到类似平安钟的作用。所以目前市场上有关产品存在功能同质化严重、缺乏核心软硬件技术的问题。只有实现心电设备的多样性,实现不同类别和层次的区分,才能满足更广泛人群的日常需求。针对目前市场现有产品现状和分类,下面提出我们的心脏监护产品的设计方案以及它的市场定位和受众人群。

二 便携心脏信号设备的方案

  我们研制的智能脉搏手表的构想如图1所示。其中,手表的触摸屏显示了主要的功能选项:脉搏数据记录和分析、疲劳度感知、体表和周围温度和基本的时间功能。疲劳感知是通过某种金属传感器测量在它和人体皮肤之间形成的电场的微弱电流来检测人体疲劳程度。因为这个弱电流的大小实际上是受人体自身的精神状态影响的。所以通过测量这个电流的幅度,智能手表就可以感知使用者的疲劳程度(精神状态),并提示使用者注意休息或者保持放松等。
  对于心脏信号的采集和获取,最常用的是心电信号,但这在实际操作上具有一定的复杂性和不便性,因为它需要记录用户至少五导乃至十二导联的心电信号,这在日常使用中是难以做到的。因此本方案选用容易测量的脉搏信号[4]。脉搏同样是是反映人体循环系统功能的重要生理参数,它包含了人体的心率变化等重要信息。对脉搏波进行准确地测量,在临床上具有非常重要的意义。
  在图2中我们采用红外线作为传送媒质,使用时用户将手表的数据传送装置对准电脑上的接收装置来传送各种记录信息。图3为目前我们开发的智能脉搏手表的样机,图中显示采集于试验者手腕的实时脉搏波形。目前我们开发的智能脉搏手表采用的是无线传输技术,可以实现500m范围的数据传送和接收。当然,也可以根据相应的需要考虑采用GSM/GPRS网络[5]、蓝牙的传输方式[6]。从技术发展的角度来看,医疗监护产品的无线化、网络化是发展趋势,移动型、具备无线联网功能的监护产品将成为未来市场的主流。因此研制这样的无线监护产品势在必行。
  基于现代计算机、通信技术的诊疗模式促使远程诊断成为可能而且其发展也方兴未艾。我们设计解决方案将会对用户的电脑终端进行组网,每个终端的数据可以通过网络发送到医生的电脑或者社区健康中心的电脑上供医生做出专业诊断如果采用无线组网的方式,每个用户的数据将会按需实时地传送到位于社区医疗中心的接收服务器上[7]。其中在医生或者社区监控中心的电脑上将连接用于还原用户脉搏信号的装置,这样医生可以有一个直观的感觉,真实地体会用户脉搏、心跳等信息。而我们开发的全套人体心脏系统的非线性动力特征分析软件将安装在电脑上,给出详细的自我诊断分析。其中部分非线性动力特征分析软件将会嵌入到手表的控制系统中,实现实时监护和预警。
  对于智能手表采集来的数据,将通过电脑终端用网络传输到可进行分析和诊断的社区服务终端上。在社区的电脑上,除了有医生的诊断外,还会安装结合本中心对心电信号的研究,开发的可应用于体心脏系统的非线性动力特征分析软件。该软件进行信号的处理分析、疾病的辅助诊断,并给出综合报告。对于心脏信号具体诊断分析过程大致如下:(1)用户登录进行身份验证;(2)建立档案,用来录入被测试者基本信息,包括姓名、性别等;(3)监测主要负责脉搏信号的采集与动态显示,接收数据、波形实时显示屏幕上,数据保存后,可对使用者进行数据分析;(4)进行数据的分析与维护,其中可以调出保存的被测试者的过往数据作为参考。本软件可以实现选择用户记录、修改用户信息、显示该被测试者的脉搏波形,数据存储和分析等功能。建立与脉搏信号相对应的疾病样本数据库具有重要的意义,不仅有利于临床应用研究,而且具有重要的商业价值。图4为此医生端软件分析平台拟采用的用户理界面。进入界面后,再进一步选择所需的项目进行具体的分析,如图5所示。
  该软件包含心电图(ElectroCardioGram,ECG)时域分析、心率变异率(HearRateVariability,HRV)分析和有关非线性动力特征分析(ReconstructedPhaseSpace,RPS)等,其中ECG分析主要是对直接对心脏信号采用经典的时域、频域分析等方法;心率变异性是指逐次心跳RR间期(瞬时心率)之间存在的微小差异或微小涨落现象。HRV的分析方法主要采用时域分析和频域分析。时域分析是对采集到的RR间期的时间序列信号,按时间顺序或心搏顺序排列的RR间期数值,直接进行统计学或几何学分析。频域分析是将RR间期的时间序列信号采用数学变换的方法将其变换到频率域上,形成频谱曲线,并对频谱曲线的形状进行分析。如图5为选择HRV分析时给出的各类分析图表。目前对心脏系统的建模常采用线性模型,然后对其进行时域、频域或时频变换[9]等分析与处理。然而人体的心脏系统实质上是一个非线性系统,具有时变动力系统特点。并且具有确定性的混沌的特征[10]。因此,我们开发的软件中,着重研究能够针对数据的混沌特性的RPS分析,其基本过程为:在数据进行必要的预处理之后,利用相空间重构技术,构造其动力特征,然后提取其特征模式完成分类。利用相空间重构和频谱技术对周期性信号特征提取和降噪[11],获得心脏数据的重构动力特征后,建模这个动力系统的演变过程,再对其进行分析。

三 本方案产业化分析

1.硬件设计与选择

  本产品的硬件设计首先要进行技术评定,包括产品功能定义、功能评价、材料选用、工艺实现,确定设计方案。与此同时,必须进行经济和成本分析。一定要以用户为中心,按照用户的需求合理调配相应的产品硬件设计方案。以无线模块为例,现阶段就有许多可供选择的方案,如射频识别(Radio FrequencyIdentification,RF)、全球移动通信系统(Global Systemfor Mobilecommunications,GSM)网络、第三代移动通信技术(3rd-Generation,3G)、通用分组无线业务(General Packet Radio Service,GPRS)无线网络、WiFi(Wireless Fidelity)等。但不同的选择会有不同的特点,例如,选择3G方式,其成本太高,而且现行的3G数据传输速率还不够理想;若选用WiFi方式,虽然其带宽较高,但通讯范围也受限于基站覆盖范围,而且终端设备功耗较低功率射频模块要求高。这些都会影响产品的使用时间和效用。目前本产品的测试样机采用了RF射频技术,成本合理,有效距离约500m,通过加装增强天线,传输距离在空旷场地可以达到1000m,基本适用于家庭用户使用[12]。如果在社区内设置简单RF中继设备,或是通过因特网接入网络,可以极大提高网络覆盖区域,一方面,将数据传输到社区医院的健康中心的电脑供医生分析,得出结果,同时在社区健康中心的电脑上,用户的脉搏数据还可以通过激励装置还原,供医生“把脉”。这其中中继站点的布置和选择,激励装置的选取也是在技术实现中需要认真考虑和反复调整的。
  无论本方案选择何种的硬件搭配,都应该严格按照相应的流程,并且应至少遵循以下几个原则:(1)加强新产品开发成本分析和成本控制;(2)最大限度的实现产品的标准化,通用化和系列化;(3)质量永远是产品的生命,首先要保证产品的安全性和有效性。可以尝试众筹方式进行开发,例如kickstarter,点名时间等。

2.软件支持和处理

  由于现代计算机和网络技术的发展,在用户终端才能决定服务的类型与水平。智能手表是在手表带内侧固定脉搏和体表电流传感器来实现采集心脏数据的,对于所采集的数据,现阶段常用的处理方法为建立数学模型,然后再做相应的分析。包括上述提到的多种心电、脉搏信号分析软件在内,这些分类、识别软件碰到的主要问题是误判率不能严格保证,分析过程依赖所选定的样本,算法鲁棒特性相对一般。我们结合自身科研优势,重点发展前面提到的非线性动力特征分类技术。该技术旨在挖掘数据的一般性本质特征,而独立于测试个体的样本差异。非线性动力特征技术对主要的心脏疾病种类,例如,房颤、室颤、心动过速具有较好的分类精度,误判率很低。经过相应的测试,对上述三类信号以及健康信号可以达到85%以上的分类精度。需要指出的是,非线性动力特征技术是提取数据所包含的动力系统的特征,一些数据自身的细节信息会被忽略,所以它不适用于更细致的疾病分类过程。由于我们开发的产品是应用于日常生活,对象是社区用户或者特定需求群体。在这样应用背景下,常用的典型的心脏疾病预警、监护最为重要。所以发展非线性动力特征技术具有一定的技术优势。及时预警后的,后续精确的诊断分析则依赖于心电波形的时域分析等技术。
  当然,对于这些软件技术的可靠性,还需进一步的提高,尤其是对于模型的建立,往往还是对训练样本有着很强的依赖性和敏感性,通用的方法是完善和建立标准的数据库[13]来作为匹配和识别的依据,减少实际中千差万别的样本个体的影响。除此之外,还需要医生作为第三方加入,相关分析结果需要得到专业医护人员的认可,我们已经做了积极的尝试,并期待双方的合作,来方便本方案的改进。

3.用户服务和规范

  在产品经过完善的测试和使用过程中,还应加强相应标准和规范的建立,以提高配套服务水平。首先,由于本系统是依赖家庭和社区医院等部门有机的结合才能发挥作用,因此需要编写不同层次的完备且以用户为本的使用说明和用户手册,满足医院和家庭用户的相应需求。其次,社区的健康中心作为处理数据的中心,因此需要对其中相关的医务人员进行必要的培训,确立对家庭用户身体状况详尽的诊断流程和标准,来确保分析结果和相关信息的有效性和可靠性,以及进一步完成用户数据库的建立、维护和使用的工作。产品的应用是以维护用户的健康为目标的,因此不仅要有诊断和分析过程,还要有合理的应对方案,对于不同程度的用户,应做好不同的应对方案和措施,对于情况比较严重的用户,应该和社区医院等单位有所协调,做好必要的应急预案。另外,应考虑家庭用户,特别是社区医院健康中心的软件升级,以方便及时更新和升级服务。

4.有待改进的难点

  经过测试,本方案虽然已经取得了一定的成果,但仍有些问题有待改善。例如,同其他的可穿戴的设备一样,用户在佩戴智能手表时,由于用户的运动,对检测产生抖动效应,严重影响数据采集的效果。我们考虑通过加入类似护腕这样的固定装置来减少或者消除传感器和体表的位移,从而克服用户生活活动等基本运动对数据采集的影响。

四 发展前景与展望

  远程医疗被许多人称为没有围墙的诊所,经济方便,及时权威,用途广泛,平衡资源,是大势所趋。随着社会不断发展,人们对远程医疗的认识会越来越深刻,国家出台远程医疗的相关政策也会愈加完善。可以预期,随着技术的发展和配套措施的逐步建立,在不久的将来,通过远程医疗技术,人们随时随地都能获得所需的医疗服务[14]。
  心血管疾病,由于发病时具有很大的突然性,失去了宝贵的早期诊断救治时间,导致疾病进入晚期,甚至当场发生心脏猝死。因此日常的心脏监护就成为保证病人生命安全的重要手段,而对于心脏信号的检测,西医常选用ECG信号,并开发了相应的Holter系统,以方便ECG信号的采集。例如,由深圳市博英医疗仪器科技有限公司开发的BI9800迷你型记录器,便是一款比较成熟的产品[15]。而中国传统医学则常采用更易于实现的脉搏信号作为检测的手段,用为心血管疾病的检测依据,上海中医药大学已经在此方面做了比较详尽的研究。本方案则取二者之长,实现了基于脉搏信号的,具备便携性的,心脏检测和监护的设备。基于无线通信的远程心电监护系统给了患者较大的活动自由,用户可以不受时间、地点的限制,随时随地得到医院和监护中心的检测和监护,及时将医生的建议和诊断结果反馈给病人,以实现疾病的早期预防和治疗,并在出现紧急情况时可以被及时发现并救治。
  我国现在大力提倡两级医疗卫生服务体制,即区域医疗中心(医院)+社区医疗服务中心(社区健康服务中心)。社区卫生机构主要提供健康教育、预防和一般常见病、多发病诊疗等服务。其中,心血管疾病的预防和早期诊治都将在社区医疗中心完成。此产品正是面向社区医疗服务,为社区的老人和心脏病人等特定人群的心脏健康提供实时监护[16]。
  综上所述,本方案具有体积小、价格合理、操作简便,专业人士、普通百姓均可使用等特点,可实现对家庭用户的持续监控诊断和健康管理或及时为用户提供有益的健康指导。尽管自动分析本身的准确性和诊断的病例还有待提高,对由用户的运动产生的抖动效应的处理还有待完善,但它的微型化和便携性、简便的操作方法等突出特点,都非常适和于心脏病人的家庭监护、检测使用,具有很大的临床应用价值和潜力。

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