醫(yī)療可穿戴設(shè)備的變革，讓未來充滿無限可能

說到可穿戴技術(shù)，我們想起的往往是手表之類的設(shè)備。但其實還有許多其他技術(shù)設(shè)備屬于“可穿戴”類別。

過去，人們使用技術(shù)來保護身體，增強感知能力，克服自身缺點?，F(xiàn)在，新推出的設(shè)備正在擴大人類機能增進和健康改善的范圍。最近的一系列可穿戴技術(shù)涉及到了健康保持和信息獲取問題；而在未來，這些技術(shù)將超越單純的醫(yī)學(xué)監(jiān)測，走向人類機能增進。
我們來簡單回顧一下可穿戴設(shè)備的早期發(fā)展歷程。

最早的可穿戴設(shè)備

雖然今天的許多可穿戴設(shè)備以手表、戒指、吊墜、腕帶和植入物的形式追求時尚和舒適，但早期的版本（非常非常古老的那種）并沒有將舒適和便利作為可穿戴技術(shù)的首要考慮因素。多年前，士兵的頭盔被認(rèn)為是一種高科技設(shè)備，因為它能幫助士兵緩沖頭部撞擊，避免失去行動能力。甚至眼鏡也曾是多個時代的可穿戴設(shè)備，能幫助提高人的學(xué)習(xí)能力并為社會做出貢獻。

雖然盔甲和眼鏡屬于被動可穿戴技術(shù)，但這些機械化的可穿戴設(shè)備也推動了社會的進步。17世紀(jì)，隨著懷表的誕生，機械化可穿戴技術(shù)應(yīng)運而生，為工業(yè)界和普通人提供了方便而準(zhǔn)確的時間測量。這對于時間安排和工業(yè)制造至今仍很重要。從冶煉金屬到烤面包，任何工藝都可以更精確地進行改進。手表的用途更加廣泛，但現(xiàn)代技術(shù)立足于這些進步，將可穿戴技術(shù)又提升到了新的水平。

我們來看看目前已經(jīng)到了什么樣的水平。

今天的可穿戴設(shè)備

與靜態(tài)的盔甲或機械化技術(shù)不同，今天的可穿戴設(shè)備是電子的。由于微處理器和傳感器等元器件的廣泛普及以及低成本的制造，現(xiàn)在越來越多的人可以用相對較低的成本輕松享受這些設(shè)備的好處。

這些可穿戴設(shè)備有許多都用于醫(yī)療和健身，還有一些具有信息技術(shù)和通信功能。這兩種用途目前在市場上都很活躍，曾經(jīng)的機械化手表采用了現(xiàn)代的顯示屏和觸摸屏也變得更加美觀。

那些領(lǐng)先電子廠商所制造的手表提供易于讀取且可定制的時間、日期、日歷提醒、消息提醒以及音頻和視頻顯示。隨著技術(shù)的進步，可穿戴設(shè)備將對我們與機器的互動方式產(chǎn)生重大影響。但是，對于大多數(shù)人來說，健康仍然是驅(qū)動因素。

醫(yī)療與健身監(jiān)測

加速度計的進步是推動醫(yī)療和健身監(jiān)測設(shè)備發(fā)展的主要因素。除了在計步器中用于跟蹤步數(shù)，加速度計還被用于手表、腕帶、吊墜、戒指以及我們今天所能想到的任何其他可穿戴設(shè)備。

雖然戒指在傳統(tǒng)上沒有手表和腕帶那么多功能，但無線通信使得它們能夠監(jiān)測血流灌注指數(shù)（血液循環(huán)情況）、心率、心率變異性、睡眠時間和睡眠狀況、血氧水平，甚至壓力（圖1）。
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1).集成了加速度計之后，它們還可以用作計步器。

圖1：雖然手表和腕帶用于可穿戴技術(shù)最多，但戒指現(xiàn)在也越來越受歡迎，特別是顯示技術(shù)使其信息更容易獲取。（圖源：P.S/stock.adobe.com）

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計步器雖然可以很好地指示運動情況，但在運動強度和消耗的卡路里方面并不準(zhǔn)確。計步器會計算步數(shù)，但不會將在平坦表面上行走或慢跑與上樓、爬山和爬坡區(qū)分開來。使用GPS技術(shù)可以克服這個精度問題，但現(xiàn)代GPS的精度仍不足以可靠地檢測海拔高度。

智能手表和健身腕帶的使用最為廣泛。健身腕帶沒有顯示屏或顯示內(nèi)容有限，主要計算步數(shù)、跟蹤消耗的卡路里、測量睡眠模式以及心率、血壓和皮膚電阻（汗液、壓力和運動水平）。不過這些可穿戴設(shè)備對睡眠也有一定的好處。

睡眠模式是許多人最重要的監(jiān)測功能，尤其是那些患有睡眠呼吸暫停癥的人。睡眠呼吸暫停與心臟病和健康狀況下降有關(guān)，人們首次可以在沒有昂貴且不方便的睡眠研究設(shè)施的情況下監(jiān)測和跟蹤睡眠模式。睡眠監(jiān)測對嬰幼兒來說也很重要，因為可佩戴的手腕設(shè)備可以檢測嬰兒是否停止呼吸。使用這項技術(shù)可以消除嬰兒猝死綜合癥 (SIDS) 。

基于加速度計的健身追蹤器的另一個實用功能是測量某人何時摔倒以及是否摔倒。這對老年人和老齡化人口來說尤為重要。雖然跌倒后可以激活的老式無線按鈕挽救了許多人的生命，但如果人失去知覺，這些按鈕將不會提醒任何人。而手表、吊墜、戒指甚至口袋可穿戴設(shè)備之間的無線通信卻可以在人摔倒時提醒其緊急聯(lián)系人。同樣的技術(shù)也可以用來檢測是否有人發(fā)生了車禍。

與此相關(guān)的是追蹤患有阿爾茨海默氏癥或其他形式癡呆癥的流浪患者的能力。通過記錄輔助生活設(shè)施等建筑物內(nèi)的活動情況，當(dāng)有精神障礙的人出現(xiàn)在了他們不應(yīng)該出現(xiàn)的地方，或者至少無人照看時，就可以提醒工作人員。當(dāng)一個精神障礙者走進樓梯間時，該功能尤為重要，因為樓梯間不像其他走廊或過道那樣經(jīng)常有人走過。

雖然比20至100美元的可穿戴設(shè)備更貴，但更復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備也有助于挽救和延長生命。可穿戴醫(yī)療設(shè)備已被用于檢測和記錄心臟事件，而不僅僅是監(jiān)測心率。這些心臟事件通常不會發(fā)生在醫(yī)生的辦公室，而且由于無法獲得準(zhǔn)確的心電圖波形，它們常常會被忽略，無法得到及時診治。但是現(xiàn)在，通過無線訪問全球網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程醫(yī)生，甚至基于云的服務(wù)，這些設(shè)備可以定期甚至實時上傳數(shù)據(jù)，以提醒此類事件正在發(fā)生。

貼片也可以視為可穿戴醫(yī)療技術(shù)。雖然在大多數(shù)情況下，貼片只是以預(yù)定的速度給藥，但嵌入貼片中的有源電子設(shè)備通過皮膚監(jiān)測生理狀況，可以控制止痛藥等藥物的釋放。

可穿戴電刺激技術(shù)也已經(jīng)使用了多年。對于這種技術(shù)，“即剝即貼”的一次性電極可以附著在肌肉和疼痛部位。輕微的周期性表面電擊可以克服更深層次的內(nèi)部疼痛機制，緩解癥狀。

下一個大浪潮將是植入式傳感器。植入式技術(shù)與智能貼片、可佩戴手表、戒指、吊墜和腕帶相結(jié)合，可以根據(jù)需要更準(zhǔn)確地給藥。植入式傳感器可以與有源貼片通信，后者按照命令精確釋放藥量。更重要的是，更換貼片要比重新安裝植入式胰島素泵容易得多。

硬膜下植入式可穿戴技術(shù)

大多數(shù)人認(rèn)為醫(yī)用植入物是一種更具未來感的技術(shù)，但其實醫(yī)用植入式設(shè)備已經(jīng)存在了幾十年。1958年植入了第一個起搏器，自那以后，植入技術(shù)穩(wěn)步提升，包括可以重新激活心臟的除顫器。

與可穿戴傳感器一樣，植入式傳感器的受歡迎程度也在穩(wěn)步上升?，F(xiàn)代植入式傳感器可以監(jiān)測血糖水平、組織和骨骼再生、高血壓、心律失常、神經(jīng)刺激（如人工耳蝸和人工晶狀體），甚至可以根據(jù)需要釋放胰島素、宮內(nèi)避孕藥和其他藥物。

雖然胰島素泵和起搏器等設(shè)備是通過手術(shù)植入的，但新技術(shù)使注射型醫(yī)療植入式設(shè)備也成為了可能。注射型傳感器可以在體外進行無線通信。一種名為量子點 (Quantum Dots) 的技術(shù)甚至可以存儲個人醫(yī)療信息。

這些注射型傳感器的一個巨大市場是監(jiān)測假肢設(shè)備，以改善功能性肌電控制。隨著膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和其他替代關(guān)節(jié)的普及，運動神經(jīng)假肢預(yù)計會逐步增長（圖2）。反饋傳感器檢測關(guān)節(jié)角度、皮膚接觸壓力和組織應(yīng)變。隨著有線星形拓?fù)涞闹鸩教蕴?，多點拓?fù)湔蔀檫@方面的主流技術(shù)。本書深入研究了仿生學(xué)，它可以增強人類的正常力量和本能反應(yīng)。

圖2：植入式傳感器可以幫助使用假肢進行控制和感覺反饋。（圖源：Gorodenkoff/stock.adobe.com）

植入式荷爾蒙和大腦化學(xué)傳感器也已經(jīng)出現(xiàn)，以幫助患有精神疾病的人繼續(xù)服藥。那些停藥的人可能會變得更加容易激動且有暴力傾向。自動給藥可以減少精神不穩(wěn)定的人數(shù)。

植入物也被用于非醫(yī)療應(yīng)用。例如，人們一直在皮膚下植入RFID技術(shù)。與第二代一樣，RFID技術(shù)完全可以利用外部讀取器提供的射頻能量進行運作，從而實現(xiàn)醫(yī)療警報信息的非易失性存儲，甚至還可以用于汽車和房子的開鎖。

大腦植入物克服缺陷

大腦植入物，也稱為神經(jīng)植入物，直接連接到大腦和其他神經(jīng)細(xì)胞，可用于各種應(yīng)用（圖3）。其中有一些是有益的，比如緩解帕金森氏癥或刺激迷走神經(jīng)以幫助控制消化和心率。

圖3：大腦植入物已經(jīng)放入，可以監(jiān)測神經(jīng)放電，刺激神經(jīng)，并直接向大腦提供感覺信息。（圖源：ktsdesign/stock.adobe.com）

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有多種類型的醫(yī)療植入物已經(jīng)幫助了無數(shù)聽力或視力受損人士。甚至有集成電路技術(shù)被成功植入的案例，使那些色盲的人能夠看到和區(qū)分顏色。

使用這些類型的植入物還可以擴大人類感官的能力范圍。例如，現(xiàn)在可以將視線擴展到紅外和紫外光譜。聽力植入物還可以擴大聽力范圍，并應(yīng)用特定的濾波器，讓植入者能夠聽到普通人聽不到的聲音。這也可以通過佩戴助聽器來完成。

最近，更復(fù)雜的植入物已經(jīng)證明了使用計算機和通過腦電波解碼合成文本的能力。這些技術(shù)可以改變?nèi)藗兊纳睿驗榭梢允褂盟季S模式控制機動假肢和關(guān)節(jié)，讓截肢者過上更傳統(tǒng)、無需他人幫助的生活。

而且，隨著可以學(xué)習(xí)復(fù)雜大腦放電模式的可植入AI處理器的出現(xiàn)，通過想象形狀和顏色，可以與假肢和仿生肢體進行通信。例如，想象一個黃色三角形可以命令假肢移動。

結(jié)語

在不到60年的時間里，我們已經(jīng)從通過大型手術(shù)放置發(fā)展到通過植入和注射可穿戴設(shè)備來進行醫(yī)療監(jiān)測和管理。這些創(chuàng)新不僅挽救和延長了生命，而且提高了生活質(zhì)量，使護理人員和醫(yī)生能夠以更低的成本照顧更多的人。

集成電路尺寸的縮小，再加上更低功率的半導(dǎo)體技術(shù)，使得人們可以佩戴和植入更復(fù)雜、更安全的技術(shù)。雖然我們沒有把衣服作為可穿戴技術(shù)來討論，但衣服也可以佩戴一些設(shè)備，同時這也帶來了其他挑戰(zhàn)，比如在洗滌和烘干時如何不受影響。

展望未來，預(yù)計會看到更多有源的可穿戴和可注射設(shè)備。智能貼片將簡化藥物的自動釋放，尤其是與植入式傳感器相結(jié)合時。隨著化學(xué)傳感器的發(fā)展，克服精神疾病甚至可以幫助那些實施暴力行為的人遏制其暴力傾向。再結(jié)合RFID進行識別和驗證，也許我們還可以遏制身份盜竊。我們討論了可穿戴設(shè)備在醫(yī)療方面的很多益處，但一旦我們成為機器的一部分，可能性將是無窮無盡的。
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