健康和健身可穿戴设备的过去、现在和未来

健康和健身可穿戴设备已经从简单的计步器(步数计)演变为完整的健康监测解决方案，可用于以多种方式监测人体的所有生命体征。在本文中，我们将回顾这个演变过程，以及一些促使实现这些功能的不同传感器，之后我们将探讨一些新兴应用。

早期设备功能

人们一直很想知道自己一天走了多少步，的确，众所周知的莱昂纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)曾经绘制了一个概念性步数计算装置。1770年，钟表学家兼发明家亚伯拉罕·路易斯·佩雷莱(Abraham-Louis Perrelet)构建了第一个原型计步器。而第一个现代版的计步器Manpo Kei是由Yoshiro Hatano博士于1965年创造，其目的是鼓励人们每天走10000步。早期的计步器是用带子绑在人的腰部，并配有一个机械开关来检测运动(使用前后移动的铅球或使用钟摆撞击停摆触点来实现)和计数。1921年，测谎仪(俗称谎话检测器测试)被发明。这是第一台配有传感器的设备，可以测量心率、血压和皮肤电流反应(GSR)。

虽然测谎仪的用途完全不同，它也不是被设计成移动设备，但它可以执行当今健康和健身可穿戴设备中包含的许多功能。在20世纪80年代，加速度计首次应用于活动跟踪，多轴加速度计开始普遍应用于类似当下的腕带设备中，使佩戴者能够跟踪所走的步数、消耗的卡路里和睡眠时间等。

1977年，一位狂热的滑雪爱好者，芬兰教授Seppo Säynäjäkangas出于对使用电子技术测量心率的极大兴趣，进而创办了一家名为Polar的公司。1979年，他申请了指尖心率监测仪的专利，1982年，他又发明了第一台无线可穿戴心率监测仪Polar Sport Tester PE2000。该监测仪由一个胸部贴片无线电发射机(带有集成式心电图(ECG))和一个单独的腕表接收器组成，能够显示佩戴者心率的实时数据。这改变了个人健身领域的游戏规则，并在促进高强度间歇训练的普及方面发挥了重要作用。早期的可穿戴设备旨在提供总体活动和健身水平指标，但不能用于医疗目的。

图1：Polar Sport Tester PE2000。(来源：https://www.wareable.com/fitness-trackers/the-origins-of-the-fitness-tracker-1234)

增加生命体征传感器

与普通的前代产品相比，现在的可穿戴设备有很大的不同。除了计算步数、卡路里计数和睡眠跟踪之外，这些设备现在还可以让用户选择不同的身体位置来了解其他人体生理和生命体征(如血压、体温和血氧饱和度等)。虽然手腕和胸部仍然最为常见，但耳戴式设备正变得越来越受欢迎(即所谓的听觉设备)。这种测量生命体征的功能通过一系列先进传感器技术而实现，这些传感器包括：

光学：德州仪器(Texas Instruments)的AFE4420YZR等传感器可用于执行光电容积图(PPG)，这是一种简单、低成本的光学技术，可检测皮肤组织中的血容量变化。其中利用彩色或有时红外LED照亮设备佩戴者的皮肤，反射光由光电二极管检测，光电二极管将光信号转换为电流，之后再传送给用于计算心率和血氧饱和度的微控制器。先进的光学传感器使用高级算法来补偿佩戴者的运动和可能对读数产生不利影响的光照条件变化。

生物电位：ADI(Analog Devices)的MAX30001等传感器可以检测人体内的微小电信号，并可用于产生心电图(ECG)，即一种心脏行为的图形显示。

温度：通用温度传感器的精度因具体应用而异，但临床级体温传感器，如德州仪器公司的TMP117AIDRVR，它们的精度必须高于0.2摄氏度。

未来发展

直到最近，传感器由于质量问题还在阻碍其在医疗行业的应用。对于通过健康和健身可穿戴设备来提供有关健康和幸福指数一般指导的消费者来说，这并不是一个主要问题，因为他们不会太在意设备读数的准确度。然而，许多制造商目前正在生产医用级传感器，一旦它们获得相应监管机构(如食品和药品管理局(FDA))的相关认证，这些设计即可用于专业医疗设备。

医用级传感器还可以帮助开发更便携、更易于佩戴的设备。例如，Holter是目前医疗从业者使用最多的心脏监护仪。然而，它体积庞大，佩戴超过24～48小时不切实际。虽然这可能足以掌握心脏行为的某些方面，但在某些情况下，时间还不够长，无法完全检测到心律失常等危及生命的疾病存在。体积更小、侵入性更小的可穿戴心脏监测仪将能够使医疗从业者远程监测患者更长时间，而无需将这些感测设备返回诊所进行数据上传和分析，从而更容易监测到患者的整体情况。

将无数人佩戴的医疗级设备连接到云端，并持续上传大量数据，这将为采用机器学习技术来揭示这一信息库中隐藏的潜在趋势和模式提供可能性。这反过来也将有助于开发算法，进一步提高传感器读数的准确性。例如，ADI公司的MAX32664是一个低功耗生物特征传感器集线器系列，可以直接与几个不同的传感器通信，以分析不同用例中的读数。一个有趣的未来应用是使用该传感器集线器在设备佩戴者的指尖(可能还有其他身体部位)使用PPG技术测量血压。这样的未来发展或许会受到市场欢迎，因为它可能会取代目前佩戴的笨重机械袖带，这种机械袖带不适合永久佩戴。

图2：采用MAX32664生物识别传感器集线器的腕戴健康传感器平台。(来源：https://eu.mouser.com/new/maxim-integrated/maxim-maxrefdes103-health-sensor/)

最近，基于电化学传感器MAX30134等模拟前端的使用，已经开发一些可穿戴医疗应用。该模拟前端目前已经用于血糖监测仪开发，可以持续监测糖尿病患者的血糖水平，而读数则通过无线方式发送到患者手机，以提醒他们是否需要注射一定剂量的胰岛素。未来的发展可能还会包括把监测设备通过无线连接到可穿戴胰岛素泵，然后自动向患者分配适当剂量药品。

结论

可穿戴电子设备的发展仍在加速。虽然它们会一直作为消费品而受到市场欢迎，允许个人和运动员监测总体健康状况。但传感器精度已提高到足够可以用于临床级仪器和设备，这将改变未来医疗服务的提供方式，使临床医生能够远程收集信息，并监测患者的健康状况，而无需经常亲自去走访他们，这可能会使医疗服务的提供更加有效和高效。