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Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering logoLink to Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering
. 2022 Apr 25;39(2):426–432. [Article in Chinese] doi: 10.7507/1001-5515.202108084

智能可穿戴设备在高原心脑疾病中的应用研究

Application and research of smart wearable devices for heart and brain diseases related to high altitude

Zhengju CHEN 1, Qiumei GU 2, Guiyu WANG 3, Min WANG 3, Lei CHEN 3,4
PMCID: PMC9927336  PMID: 35523565

Abstract

可穿戴设备具有便携、实时、动态和连续等特点，在生理监测和疾病预防等领域发挥着越来越重要的作用。将可穿戴设备推广至高原人群可能对预防高原心脑疾病具有一定优势。本文从高原环境对不同人群和实验动物心脑系统的影响、不同种类可穿戴设备的特点及应用与可穿戴设备在高原环境中的局限与挑战三方面综合阐释智能可穿戴设备在高原心脑疾病的应用研究，突出其应用价值，为预防高原疾病，保证生命健康提供实用的参考信息。

Keywords: 高原环境, 心脑疾病, 生理指标, 智能可穿戴设备

引言

医学将海拔在2 500 m以上的地区称为高原（Plateau），高原环境以低压、低氧、日照长、紫外线强、低温且昼夜温差大为主要特点，其中低压、低氧最为显著。高原病（high altitude disease，HAD）是在高原低氧、低温环境的一种特发性疾病，因人体机能随海拔高度增加而逐渐下降引起机体缺氧。全球约有1.4亿人世居高原，而我国作为全球高原面积最大的国家之一，约有6 000～8 000万人居于海拔2 500 m以上。随着青藏铁路全线建成通车与青藏高原不断建设和发展，援建开发高原的人员不断增加，罹患高原病的人数也逐年增长。临床研究显示，高原环境主要影响人体心、脑器官，在不同海拔高度和季节，心脑疾病发病的速度、严重程度和表现形式各异，主要的防治措施是药物为主，辅以给氧，并且在可行的情况下将患者转入低海拔地区，目前新的防治手段进展缓慢。近年来，随着可穿戴设备技术的应用和推广，可对身处高原的人员进行生理指标的实时监测、数据分析以及预警提示，指导高原病患者根据指标信息尽快就医，同时还可帮助医生了解患者实际情况，并及时做出诊断。此外，可穿戴设备技术的应用还能够进一步辅助了解高原多因素环境如何在时间序列上对大脑活动和功能产生影响，这也是对全球脑科学计划研究工作的一项重要补充。

1. 高原环境对心、脑器官的影响

1.1. 高原环境对不同人群心脑系统的影响

高原疾病分急性和慢性两类，主要危害人的心、脑器官。急性高原病包括急性轻症高原病 (acute mild altitude disease，AMAD)、高原性肺水肿（high altitude pulmonary edema，HAPE）和高原脑水肿（high altitude cerebral edema，HACE）；慢性高原病包括：高原衰退（high altitude deterioration，HADT），高原心脏病（high altitude heart disease，HAHD）和高原红细胞增多症（high altitude polycythemia，HAPC）[1-3]。其中AMAD、HACE、HADT和HAPC的临床症状均以神经系统表现为主。高原病在不同海拔高度以不同的病症形式出现，如图1所示，其神经系统表现及伴随症状也各有特点。当海拔高于2 500 m时部分人群可能出现机体活动能力下降，高于3 000 m可能出现思维判断能力下降，高于4 000 m可能出现大脑优势半球功能受损，高于5 000 m可能出现机体感知功能障碍、记忆力明显下降，高于7 000 m则可能出现机体智力及肌肉运动协调障碍，甚至意识丧失[4]。

图 1.

图 1

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The distribution of altitude sickness and the altitude, atmospheric pressure and temperature

海拔、气压、温度与高原病的分布情况

目前认为孕妇进入高原环境将面临风险，高原环境对孕早期主要的风险是异位妊娠及流产，孕晚期以早产为主[5]。高原环境对妊娠中后期的主要风险是发生高原先心病，先心病重要的并发症是脑损伤和神经发育障碍，主要由包括脑大小异常、结构异常以及代谢功能异常的脑发育异常引起。对比研究先心病患儿和同孕龄非先心病患儿，前者脑代谢率下降、成熟度落后、血流量减少[6]，行磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查可发现其脑室扩大、皮质发育延迟、小脑蚓部和胼胝体发育不全等脑大体结构异常之外，同时存在脑室周围白质和皮层发育的危险结构改变。高原环境下AMAD和HAPE的儿童发病率分别为34.1 %和1.51 %。儿童急速进入高原后可短期（多在2周内）发病，表现为明显的咳嗽气促、烦躁不安和拒奶等，常伴呼吸道感染。幼儿患者往往病情重、发展快，易进展为急性心力衰竭，影响预后[7]。

与此同时，就人群性别而言，研究发现长期处于高原环境对男性生殖内分泌及职业倦怠均有影响。在对高原驻扎部队男性军人的研究表明，驻扎时间越长，高原特殊环境对其情感耗竭和成就感降低影响越大[8]。同时还发现，驻藏部队成年男性精子密度和活力较周边省市常驻人群明显降低[9]。而世居藏族较移居汉族男性人群无精子症、严重少精子症和精液粘稠度异常发病率也显著增高。

1.2. 高原环境对实验动物心脑系统的影响

高原心脑疾病具有一系列特殊性，包括病因、临床表现、发病机制和防治等方面。高原的特殊环境多导致不同高原病种混合发病，不同海拔和民族的临床表现多样，具有复杂性和不典型性，其病因、发病机制及发病规律还需进一步深入研究，并完善相关防治方案[10-11]。目前心脑疾病的基础实验是在低氧低压模拟舱中对动物模拟高原环境[12-13]，对其进行分子、细胞、信号通路网络和MRI影像四个方面的研究[14-34]，以此探索高原心脑疾病的发病机制，寻找保护和预防措施，如表1所示。

表 1. Related basic research on heart and brain diseases at high altitude.

高原心脑疾病的相关基础研究

研究层面 研究内容 相关研究主要内容
分子水平研究 离子通道 离子水平失衡、缺氧预处理
基因表达及蛋白调控 模拟舱、缺氧预处理、低氧刺激细胞凋亡抑制相关蛋白、动物实验
细胞水平实验及信号通路 细胞凋亡 模拟舱、海马神经元细胞缺氧预处理、动物模型
能量代谢 缺氧预处理、细胞线粒体氧化还原反应
免疫反应 缺氧预处理、免疫炎症损伤
细胞自噬 低氧刺激能够激活细胞程序性死亡（如自噬）相关信号通路
MRI影像 心、脑结构及功能的变化 比较高原与平原地区健康正常人在心脏结构及功能方面的差异
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1.3. 高原环境对心、脑生理指标的变化的影响

对短期内（7～30 d）进入不同海拔高度地区的驻防军人生命体征改变情况的观察研究表明，初次进入3 000～4 000 m高海拔地区的军人，心率由（73.0 ± 16.0） 次/min升至（100.7 ± 21.6）次/min，血压由（98.7 ± 11.9）/（67.0 ± 8.8） mm Hg升至（110.7 ± 12.9）/（71.7 ± 7.8） mm Hg；进入海拔4 001～5 000 m的军人，短期内，心率由（69.7 ± 15.1）次/min升至（105.1 ± 20.6）次/min，血压由（99.6±12.0）/（66.8±10.8） mm Hg升至（116.5±14.3）/（76.0 ± 12.3） mm Hg；而对于进入海拔5 001～6 000 m的军人，在短期内心率可由（69.2 ± 14.0）次/min升至（112.1 ± 17.4）次/min，血压可由（99.9±13.0）/（66.9 ± 9.1） mm Hg升至（123.5 ± 16.6）/（83.0 ± 13.4） mm Hg[5]。海拔越高，心率及血压升高越明显，当收缩压每升高20 mm Hg或舒张压升高10 mm Hg，心脑血管并发症的风险即可增高1倍，提示海拔高度与生命体征改变的差异具有统计学意义[5]。

2. 心、脑生理指标和疾病状态监测的可穿戴设备概述

从1970年至今，可穿戴设备已经发展为第4代集传感器、无线通信和多媒体等技术于一体的智能设备，具有可移动性、可穿戴性、可持续性、简单操作性、可交互性的基本特征。新一代可穿戴设备由软件进行感知、记录、分析、调控、干预甚至治疗疾病或维护健康状态，主要应用于健康监测、慢病治疗和康复护理三大健康领域，如表2所示。

表 2. Application fields of smart wearable devices.

智能可穿戴设备的应用领域

应用领域 监测内容 备注
健康监测 体温、动态心电、脉搏波、血压、血氧、血糖、睡眠等 —
慢病治疗 微剂量、实时反馈、远程预警 间歇式震颤监测系统、人工胰腺系统等
康复护理 同步步态监测、关节活动度监测、关节支撑等功能 适用于神经系统康复护理、骨科术后康复应用等
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2.1. 消费级和医用级设备

智能可穿戴设备主要分为消费级和医用级。其中，消费级智能可穿戴设备针对健身爱好者，可对运动量、心率、呼吸、睡眠、热量消耗和体脂测量等生理指标进行监测，可实时查看相关健康指标。医用级智能可穿戴设备不仅具有监测功能，还可提供相应治疗，主要针对下述各类疾病患者人群：一是可对特定疾患人群进行体温、血压、血糖、供氧、和心电信号等体征数据进行实时监测，确保患者各项生理指标在正常范围值内，实现患者健康风险防范；二是对一些慢性病患者人群进行指导管理和干预治疗等，并且医用级设备需经国家药品监督管理局（National Medical Products Administration，NMPA）、美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）、欧盟市场 (Conformite Europeenne，CE）或欧盟医疗器械（Medical CE）认证。

消费级智能可穿戴设备种类繁多，包括手环、手表、智能服装、书包和鞋袜等，其形式多样，技术壁垒较低、可广泛应用于健康和亚健康群体。

医用级智能可穿戴设备主要包括慢病监测和干预治疗两类，慢病监测类可聚焦某一特定慢病病种，具备相对专业的监测数据和预警能力，能够满足相应慢病患者人群的日常医疗需求，但多数仍在扮演健康管家的角色。干预治疗类以慢病治疗领域为切入点，目前已有间歇式震颤监测系统和人工胰腺系统等智能设备相关研发问世，其优势在于缩短诊疗流程与节约医疗成本。同时在神经系统康复护理应用中，此类设备还可通过步态监测等追踪分析，对人体运动健康功能和愈后康复效果进行评估。目前，干预治疗类可穿戴设备尚处于起步阶段，国内相关研发生产企业较为匮乏，主要以国外企业为主。

目前医用级智能可穿戴设备可通过不同部位监测人体的生理指标，如图2所示，大部分设备已获得认证，相关产品也已申请专利，如表3所示。因此，可考虑将便携式可穿戴设备应用于高原心脑疾病的研究和防治，并开展相关临床试验。

图 2.

图 2

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Different types of wearable devices

不同类型的可穿戴设备

表 3. Patent status of smart wearable devices at home and abroad.

智能可穿戴设备国内外专利情况

地区 智能可穿戴监测设备/项 是否授权
头 手 背心 脚 腕带
*检索时间：2011-2021年，关键词：可穿戴设备+医药
*信息来源：国家知识产权局
国内 230 392 476 102 57 已授权
国外 207 555 86 34 89 包含授权与未授权
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本文筛选列出了经过FDA、CE或国内医疗器械认证及可轻便佩戴的智能可穿戴设备（如表4所示）[35-42]。

表 4. Representative equipment.

代表性设备

检测部位 代表设备 是否获得认证
头戴式 可穿戴式脑血氧监测头带（BRS-1，中科搏锐，中国，） II类医疗器械
贴片式 医用心电诊断仪（A5，宝莱特，中国） II类医疗器械
便携式动态心电血压工作站（WeAlive，深圳博生，中国） NMPA 、CE
心率变异性检测仪（Bittium FarosTM360，Bittium，芬兰） Medical CE、FDA 510（K）IIa类
移动心脏门诊监测（MCOT,Bio Telemetry，美国） FDA
手持式 乐普心安宝（ER2，乐普医疗，中国） II类医疗器械、NMPA、FDA、CE
心电分析诊断系统获得FDA、CE、NMPA认证
腕表式 HUAWEI WATCH（GT 3 Pro，华为，中国）、
Apple watch（Series，苹果.美国）		 无
穿戴式背心 随行生理参数监护系统（SensEcho，北京海思瑞格科技，中国） FDA、Medical CE
便携式睡眠监测系统（Life Shirt，VivoMetrics，美国） FDA
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2.2. 科研设备

目前对脑部检测最具代表性的智能可穿戴设备分为两种。一是基于光泵磁力计（optically pumped magnetometer，OPM）的脑磁图（magnetoencephalography，MEG）系统（OPM-MEG）的头盔。其中，MEG即通过测量头皮神经电流产生的磁场获得人类脑部电生理数据，同时直接成像[43]。MEG通过对磁场的数学分析形成三维图像，可以实时反映脑部网络，并且可对神经、神经退行性和精神健康情况进行研究，该系统还可以对婴儿与儿童脑部活动进行监测[35]。MEG设备具有轻便、灵敏度高和适用人群广泛的特点，但其线缆较多，且需定制头盔尺寸。二是近红外光谱脑功能成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）设备。fNIRS是一种新兴的安全有效的非侵入式脑功能成像手段，目前国内外均已研发出该设备。fNIRS设备利用近红外光来测量氧合血红蛋白（oxygenated hemoglobin，oxy-Hb）与脱氧血红蛋白（deoxygenated hemoglobin，deoxy-Hb）浓度的变化，考察细胞能量代谢以及大脑皮层血流动力的变化，间接反映神经活动，从而实现对脑功能活动的监测，可广泛应用于精神、神经、儿童和康复领域的脑功能成像研究与临床应用范式标准化，但目前该类设备还局限于科研使用。

3. 可穿戴设备在高原环境的应用与局限性

目前已有相关文献报道，处于高空、低氧环境的飞行员所使用的可穿戴设备具有小型化、低功耗、高精度和便携性的特点，同时系统可通过对飞行员飞行任务前后长达三天的心电、呼吸、体温等生理参数进行监测、采集、传输并及时分析各项指标，从而保障飞行员的健康，降低事故发生的概率[44-48]。英国国防和科学技术实验室也将便携式心脏监测设备运用到士兵日常训练中，监测士兵运动与安静环境下心脏的各项指标[49]。基于此，智能可穿戴设备可应用于急进、短期和常驻这三个时间段。

急进高原容易引发AMAD或者HAPE、HACE，如出现身心疲惫、胸闷胸痛、心慌心悸、头晕头痛、头晕目眩和耳鸣盗汗等症状时，可立即使用手持式或腕带式智能可穿戴设备，该类设备能够在15 s内快速对人体心率、血压和血氧饱和度进行监测，从而对急性高原病进行预判，提醒送医治疗。短期入驻高原的人员，受不同海拔高度气压影响，气压和含氧量随着海拔高度的增加呈曲线下降，海拔高度超过约2 800 m时，气压将会对人体生理指标产生影响，一方面在高海拔地区，特别是在活动中人体组织对氧的需求量很大时，压力梯度和可用氧的明显降低会导致组织缺氧，另一方面海拔上升后的循环系统变化涉及全身，尤其是大脑和肺部血管，因此在不同海拔下工作，使用头戴式、穿戴式背心、贴片式或手持式智能可穿戴设备可对人体的心率、血压、血氧饱和度以及睡眠情况进行实时监测，在生理异常情况下及时预警，停止工作，能够有效预防急性高原病的发生。常驻高原10年左右的人员易患HADT、HAHD以及HAPC，从平原移居至高原的小儿，易罹患小儿HAHD，因此，常驻高原人员通过医用级智能可穿戴设备长期进行生理指标监测，对个人心率、血压、血氧饱和度和睡眠等情况进行分析，及时开展有效的慢性心脑疾病筛查，可降低高原环境对人体造成的危害。

新一代智能可穿戴设备为防治高原病带来可能，但高原环境除低压低氧外，其日照长、紫外线强、低温且昼夜温差大和地域气候多变等特点，也对智能可穿戴设备在此类环境下的运用带来挑战：

（1）环境因素对设备的挑战：智能设备受高原环境影响会导致其检测结果不准确、精准度不稳定和设备易损坏等问题。常规设备对于温度和湿度均有一定要求，适宜范围内方可正常工作。温度范围一般在20～28 ℃，低于20 ℃彩色多普勒、电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）等仪器不能启动，血球计数仪则会提示堵孔[50]。湿度范围多要求相对湿度在70%～80%，高原冬季气候干燥，相对湿度小于40%，易产生静电，加之高原地区日照时间长，物体表面静电不易释放，从而造成设备电路板损坏，如电脑主机出现蓝屏、死机以及通讯中断等情况[50]；夏季高原多雨、潮湿，且昼夜温差大，易导致电子元件板上、元件脚上结露，电机、变压器和高压电缆的绝缘程度降低，从而引发短路，烧毁设备。同时由于高原地域气候多变等条件限制，供电系统不稳定，电源含有较高的脉冲电流，经常突发停电，仪器设备充电时容易因频繁突发停电而造成不可逆损害[51]。

（2）普及与应用：智能可穿戴设备种类繁多，性能和监测数据的可靠性也在不断提高，但因高原各种环境因素导致其使用受限，目前可穿戴设备尚未在生活于高原的人群中普及使用，对设备收集的数据信任度较低。

4. 总结与展望

高原环境对人体的心、脑器官危害尤为突出，不仅加重人体生命健康负担，还严重制约高原劳动力，影响地区建设和经济发展。智能可穿戴设备具有便携、实时、动态和连续等特点，可及时对身体异常进行预警的同时，收集生理数据，供临床研究者进行研究与分析，从而推动高原心脑疾病的防治与发展。目前智能可穿戴设备在高原环境下的应用推广尚处于起步阶段，如何扩大其在高原环境下的应用，造福高原人群将是未来所面临的重大挑战。笔者认为应用于高原环境下的智能可穿戴设备可根据高原环境进行设计和改进，并借鉴飞行员多生理参数采集模块嵌入式设计方式的标准进行开发。同时还需加强对设备功能及智能优势的宣讲与普及，为医务人员及适用者充分认识可穿戴智能设备提供便利，从而将该设备应用于高原环境，有效防治高原心脑疾病。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：陈正举负责本研究文献统计、分析以及撰写文章；古秋梅负责文章修改；王贵玉、王敏负责文献检索、收集和整理；陈蕾负责指导研究、文章审校。

Funding Statement

国家自然科学基金（81871018）；四川省科技计划重点研发项目（2019YFS0039）

National Natural Science Foundation of China; Sichuan Provincial Department of Science and Technology

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Articles from Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering are provided here courtesy of West China Hospital of Sichuan University

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