医疗可穿戴设备的变革，让未来充满无限可能

说到可穿戴技术，我们想起的往往是手表之类的设备。但其实还有许多其他技术设备属于“可穿戴”类别。

过去，人们使用技术来保护身体，增强感知能力，克服自身缺点。现在，新推出的设备正在扩大人类机能增进和健康改善的范围。最近的一系列可穿戴技术涉及到了健康保持和信息获取问题；而在未来，这些技术将超越单纯的医学监测，走向人类机能增进。
我们来简单回顾一下可穿戴设备的早期发展历程。

最早的可穿戴设备

虽然今天的许多可穿戴设备以手表、戒指、吊坠、腕带和植入物的形式追求时尚和舒适，但早期的版本（非常非常古老的那种）并没有将舒适和便利作为可穿戴技术的首要考虑因素。多年前，士兵的头盔被认为是一种高科技设备，因为它能帮助士兵缓冲头部撞击，避免失去行动能力。甚至眼镜也曾是多个时代的可穿戴设备，能帮助提高人的学习能力并为社会做出贡献。

虽然盔甲和眼镜属于被动可穿戴技术，但这些机械化的可穿戴设备也推动了社会的进步。17世纪，随着怀表的诞生，机械化可穿戴技术应运而生，为工业界和普通人提供了方便而准确的时间测量。这对于时间安排和工业制造至今仍很重要。从冶炼金属到烤面包，任何工艺都可以更精确地进行改进。手表的用途更加广泛，但现代技术立足于这些进步，将可穿戴技术又提升到了新的水平。

我们来看看目前已经到了什么样的水平。

今天的可穿戴设备

与静态的盔甲或机械化技术不同，今天的可穿戴设备是电子的。由于微处理器和传感器等元器件的广泛普及以及低成本的制造，现在越来越多的人可以用相对较低的成本轻松享受这些设备的好处。

这些可穿戴设备有许多都用于医疗和健身，还有一些具有信息技术和通信功能。这两种用途目前在市场上都很活跃，曾经的机械化手表采用了现代的显示屏和触摸屏也变得更加美观。

那些领先电子厂商所制造的手表提供易于读取且可定制的时间、日期、日历提醒、消息提醒以及音频和视频显示。随着技术的进步，可穿戴设备将对我们与机器的互动方式产生重大影响。但是，对于大多数人来说，健康仍然是驱动因素。

医疗与健身监测

加速度计的进步是推动医疗和健身监测设备发展的主要因素。除了在计步器中用于跟踪步数，加速度计还被用于手表、腕带、吊坠、戒指以及我们今天所能想到的任何其他可穿戴设备。

虽然戒指在传统上没有手表和腕带那么多功能，但无线通信使得它们能够监测血流灌注指数（血液循环情况）、心率、心率变异性、睡眠时间和睡眠状况、血氧水平，甚至压力（图1）。
 
1).集成了加速度计之后，它们还可以用作计步器。

图1：虽然手表和腕带用于可穿戴技术最多，但戒指现在也越来越受欢迎，特别是显示技术使其信息更容易获取。（图源：P.S/stock.adobe.com）

 
计步器虽然可以很好地指示运动情况，但在运动强度和消耗的卡路里方面并不准确。计步器会计算步数，但不会将在平坦表面上行走或慢跑与上楼、爬山和爬坡区分开来。使用GPS技术可以克服这个精度问题，但现代GPS的精度仍不足以可靠地检测海拔高度。

智能手表和健身腕带的使用最为广泛。健身腕带没有显示屏或显示内容有限，主要计算步数、跟踪消耗的卡路里、测量睡眠模式以及心率、血压和皮肤电阻（汗液、压力和运动水平）。不过这些可穿戴设备对睡眠也有一定的好处。

睡眠模式是许多人最重要的监测功能，尤其是那些患有睡眠呼吸暂停症的人。睡眠呼吸暂停与心脏病和健康状况下降有关，人们首次可以在没有昂贵且不方便的睡眠研究设施的情况下监测和跟踪睡眠模式。睡眠监测对婴幼儿来说也很重要，因为可佩戴的手腕设备可以检测婴儿是否停止呼吸。使用这项技术可以消除婴儿猝死综合症 (SIDS) 。

基于加速度计的健身追踪器的另一个实用功能是测量某人何时摔倒以及是否摔倒。这对老年人和老龄化人口来说尤为重要。虽然跌倒后可以激活的老式无线按钮挽救了许多人的生命，但如果人失去知觉，这些按钮将不会提醒任何人。而手表、吊坠、戒指甚至口袋可穿戴设备之间的无线通信却可以在人摔倒时提醒其紧急联系人。同样的技术也可以用来检测是否有人发生了车祸。

与此相关的是追踪患有阿尔茨海默氏症或其他形式痴呆症的流浪患者的能力。通过记录辅助生活设施等建筑物内的活动情况，当有精神障碍的人出现在了他们不应该出现的地方，或者至少无人照看时，就可以提醒工作人员。当一个精神障碍者走进楼梯间时，该功能尤为重要，因为楼梯间不像其他走廊或过道那样经常有人走过。

虽然比20至100美元的可穿戴设备更贵，但更复杂的医疗设备也有助于挽救和延长生命。可穿戴医疗设备已被用于检测和记录心脏事件，而不仅仅是监测心率。这些心脏事件通常不会发生在医生的办公室，而且由于无法获得准确的心电图波形，它们常常会被忽略，无法得到及时诊治。但是现在，通过无线访问全球网络、远程医生，甚至基于云的服务，这些设备可以定期甚至实时上传数据，以提醒此类事件正在发生。

贴片也可以视为可穿戴医疗技术。虽然在大多数情况下，贴片只是以预定的速度给药，但嵌入贴片中的有源电子设备通过皮肤监测生理状况，可以控制止痛药等药物的释放。

可穿戴电刺激技术也已经使用了多年。对于这种技术，“即剥即贴”的一次性电极可以附着在肌肉和疼痛部位。轻微的周期性表面电击可以克服更深层次的内部疼痛机制，缓解症状。

下一个大浪潮将是植入式传感器。植入式技术与智能贴片、可佩戴手表、戒指、吊坠和腕带相结合，可以根据需要更准确地给药。植入式传感器可以与有源贴片通信，后者按照命令精确释放药量。更重要的是，更换贴片要比重新安装植入式胰岛素泵容易得多。

硬膜下植入式可穿戴技术

大多数人认为医用植入物是一种更具未来感的技术，但其实医用植入式设备已经存在了几十年。1958年植入了第一个起搏器，自那以后，植入技术稳步提升，包括可以重新激活心脏的除颤器。

与可穿戴传感器一样，植入式传感器的受欢迎程度也在稳步上升。现代植入式传感器可以监测血糖水平、组织和骨骼再生、高血压、心律失常、神经刺激（如人工耳蜗和人工晶状体），甚至可以根据需要释放胰岛素、宫内避孕药和其他药物。

虽然胰岛素泵和起搏器等设备是通过手术植入的，但新技术使注射型医疗植入式设备也成为了可能。注射型传感器可以在体外进行无线通信。一种名为量子点 (Quantum Dots) 的技术甚至可以存储个人医疗信息。

这些注射型传感器的一个巨大市场是监测假肢设备，以改善功能性肌电控制。随着膝关节、髋关节和其他替代关节的普及，运动神经假肢预计会逐步增长（图2）。反馈传感器检测关节角度、皮肤接触压力和组织应变。随着有线星形拓扑的逐步淘汰，多点拓扑正成为这方面的主流技术。本书深入研究了仿生学，它可以增强人类的正常力量和本能反应。

图2：植入式传感器可以帮助使用假肢进行控制和感觉反馈。（图源：Gorodenkoff/stock.adobe.com）

植入式荷尔蒙和大脑化学传感器也已经出现，以帮助患有精神疾病的人继续服药。那些停药的人可能会变得更加容易激动且有暴力倾向。自动给药可以减少精神不稳定的人数。

植入物也被用于非医疗应用。例如，人们一直在皮肤下植入RFID技术。与第二代一样，RFID技术完全可以利用外部读取器提供的射频能量进行运作，从而实现医疗警报信息的非易失性存储，甚至还可以用于汽车和房子的开锁。

大脑植入物克服缺陷

大脑植入物，也称为神经植入物，直接连接到大脑和其他神经细胞，可用于各种应用（图3）。其中有一些是有益的，比如缓解帕金森氏症或刺激迷走神经以帮助控制消化和心率。

图3：大脑植入物已经放入，可以监测神经放电，刺激神经，并直接向大脑提供感觉信息。（图源：ktsdesign/stock.adobe.com）

 
有多种类型的医疗植入物已经帮助了无数听力或视力受损人士。甚至有集成电路技术被成功植入的案例，使那些色盲的人能够看到和区分颜色。

使用这些类型的植入物还可以扩大人类感官的能力范围。例如，现在可以将视线扩展到红外和紫外光谱。听力植入物还可以扩大听力范围，并应用特定的滤波器，让植入者能够听到普通人听不到的声音。这也可以通过佩戴助听器来完成。

最近，更复杂的植入物已经证明了使用计算机和通过脑电波解码合成文本的能力。这些技术可以改变人们的生活，因为可以使用思维模式控制机动假肢和关节，让截肢者过上更传统、无需他人帮助的生活。

而且，随着可以学习复杂大脑放电模式的可植入AI处理器的出现，通过想象形状和颜色，可以与假肢和仿生肢体进行通信。例如，想象一个黄色三角形可以命令假肢移动。

结语

在不到60年的时间里，我们已经从通过大型手术放置发展到通过植入和注射可穿戴设备来进行医疗监测和管理。这些创新不仅挽救和延长了生命，而且提高了生活质量，使护理人员和医生能够以更低的成本照顾更多的人。

集成电路尺寸的缩小，再加上更低功率的半导体技术，使得人们可以佩戴和植入更复杂、更安全的技术。虽然我们没有把衣服作为可穿戴技术来讨论，但衣服也可以佩戴一些设备，同时这也带来了其他挑战，比如在洗涤和烘干时如何不受影响。

展望未来，预计会看到更多有源的可穿戴和可注射设备。智能贴片将简化药物的自动释放，尤其是与植入式传感器相结合时。随着化学传感器的发展，克服精神疾病甚至可以帮助那些实施暴力行为的人遏制其暴力倾向。再结合RFID进行识别和验证，也许我们还可以遏制身份盗窃。我们讨论了可穿戴设备在医疗方面的很多益处，但一旦我们成为机器的一部分，可能性将是无穷无尽的。