可穿戴移動健康技術(shù)的“拓荒者”

每出席一個重要會議，國際醫(yī)學(xué)與生物工程院院士、香港中文大學(xué)教授、香港醫(yī)學(xué)工程研究院創(chuàng)始人、牛津大學(xué)高等研究院（蘇州）客座教授張元亭都會強調(diào)心血管疾病預(yù)測早篩之急迫。

在2023未來醫(yī)療科技大會上，張元亭同樣也談到，雖然醫(yī)療科技發(fā)展迅速很快，但中國及全球心腦血管疾病的發(fā)病率與死亡率都仍是逐年上升，尤其急性心臟病與中風(fēng)突發(fā)到死亡可能就是五六分鐘的事兒。

“目前大部分注意力都放在了疾病的后期治療，但心血管腦中風(fēng)事件大部分都發(fā)生并死在在醫(yī)院外，在診斷治療后也是呆在家里，現(xiàn)在家里的護理設(shè)施不完善，遠程病人監(jiān)護系統(tǒng)缺乏，疾病早期防治手段缺乏?！?/p>

 張元亭在未來醫(yī)療科技大會上分享成果，來源于動脈網(wǎng)

這已經(jīng)是一個全球關(guān)注的嚴重問題。心血管疾病一直是全球死亡的主要原因。世界心臟病聯(lián)盟發(fā)布相關(guān)統(tǒng)計，2021年，有2050萬人死于心血管疾病，這一數(shù)字約占全球死亡總?cè)藬?shù)的三分之一。近30年來，全球心血管疾病死亡人數(shù)在增加，這很大程度上源于人口老齡化人口增長。

“都知道心腦血管疾病最主要的危險因子是高血壓，然而其測量平臺與設(shè)備到現(xiàn)在還是不盡如人意?！?/strong>

心腦血管疾病死亡率逐年攀升及風(fēng)險檢測設(shè)備的嚴重缺乏成了張元亭決定、堅持專研一種新的重大疾病篩查與建立防治生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力?！霸缙诤Y查與預(yù)防是極其重要的，是解決心血管疾病突發(fā)性死亡問題的根本方法?！睆堅ご_信，根據(jù)收集到的多模健康信息來進行早期策略性關(guān)注及早發(fā)現(xiàn)、早斷判、早干預(yù)、早康復(fù)，就可以大大降低心血管疾病突發(fā)性死亡率?！巴话l(fā)血壓升高或生理參數(shù)不穩(wěn)定時，基于可智能穿戴技術(shù)的移動健康系統(tǒng)可以馬上發(fā)出警示，及時與周圍醫(yī)院聯(lián)系?！?/p>

二十多年間，張元亭一直致力于智能可穿戴設(shè)備的研究。早在2000年，張元亭在IEEE-EMBS專題學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了利用手機與互聯(lián)網(wǎng)無線連接的模擬與移動健康實驗方案。該方案不僅實現(xiàn)了短信、語音與數(shù)據(jù)傳輸，還在移動手機上首次獲取并顯示了存儲在互聯(lián)網(wǎng)上的生理數(shù)據(jù)，例如心電、血壓等。在移動健康技術(shù)方面的開拓性工作贏得了IEEE生物醫(yī)學(xué)工程（EMBS）學(xué)會最佳論文獎。

2004年，張元亭攜手英國科學(xué)家Robert S.H. Istepanian、美國科學(xué)家Emil Jovanov，在《IEEE生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)學(xué)報》上對“移動健康”作了較早的界定，也是國際上首次將可穿戴技術(shù)引入移動健康。今年該學(xué)報已決定發(fā)表二十周年特刋專輯記念他們的移動健康里程碑工作，并進一步推動其技術(shù)全面深入發(fā)展。

媒體稱他為，可穿戴移動健康的“拓荒者”。

2000年，外資紛紛進入中國市場，對中國網(wǎng)絡(luò)通信行業(yè)及生物傳感器行業(yè)的發(fā)展起到技術(shù)支撐作用，推動了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)。

張元亭是這批最早研究可穿戴醫(yī)療設(shè)備的學(xué)者中的一個。出發(fā)時，張元亭還感覺比較孤單。當時整個中國學(xué)術(shù)界對可穿戴醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的探索幾乎一片荒蕪。所有的一切都等著他們開墾。挖到石頭，水源不足是常有的事。而這名拓荒者的動力來源于一股濃厚的興趣。

張元亭碩士和博士研究方向分別是電子通信技術(shù)和生物電信號在神經(jīng)與肌肉通信系統(tǒng)建模?！霸缙谠诖髮W(xué)期間就喜歡無線電通信，讀碩士研究生時喜歡大規(guī)模集成電路，讀博士學(xué)位期間對信號在生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸與生物通信保持強烈的興趣?！?/p>

張元亭在碩博學(xué)習(xí)期間，同時解鎖了微弱信號檢測與傳輸軟件和硬件搭建技能。八十年代初期，晶體管電路蓬勃發(fā)展、集成電路剛剛起步，他有關(guān)CCD集成電路并聯(lián)應(yīng)用降低電荷傳輸噪聲理論與技術(shù)的碩士生研究成果填補了空白，并當時受到其論文校外主審，雷達、信息處理技術(shù)國家級專家，北京理工大學(xué)毛二可教授的肯定。

后來，在香港中文大學(xué)工作期間轉(zhuǎn)向可穿戴醫(yī)療設(shè)備與移動健康技術(shù)開發(fā)時，他也覺得是興趣的延續(xù)與應(yīng)用。

2018年，有位記者問張元亭：“哪些技術(shù)很有價值卻被業(yè)界忽略了？”

張元亭脫口答道：“傳感器！”

在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，張元亭期待結(jié)合生物傳感器技術(shù)做出一個具有革命性意義和具有廣泛健康市場需求的新型醫(yī)療設(shè)備?！皬纳韰?shù)檢測來看，我唯一不太滿意的是血壓測量設(shè)備，充放氣?帶即不方便攜帶使用，也難于實現(xiàn)每搏連續(xù)血壓測量?！?/p>

1733年斯蒂芬?海爾斯進行了最早的直接動脈血壓測量。此后,血壓監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了水銀血壓計與袖帶、柯氏音聽診法一起組成了目前臨床血壓測量的金標準。1973年的電子血壓計和1980年的示波法自動測量血壓成為至今仍為廣泛使用的方法。20世紀60年代,電子壓力換能器的出現(xiàn)使有創(chuàng)血壓監(jiān)測技術(shù)得以在臨床上廣泛使用。

但“不精準、不連續(xù)、不及時、不方便使用、無法預(yù)測心腦血管疾病”仍是目前有袖帶血壓測量設(shè)備致命的缺點。

張元亭想要克服這些缺點，想要革命性地研發(fā)出一種無袖帶、無干擾的智能測量設(shè)備。20多年過去，張元亭仍然認為：“無擾式醫(yī)療級血壓檢測設(shè)備市場和技術(shù)意義非常大，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注，但至今還沒有規(guī)模性臨床應(yīng)用，仍需繼續(xù)努力！”

顛覆：可穿戴無袖帶血壓測量儀

關(guān)于可穿戴設(shè)備的無擾式連續(xù)血壓測量的研究工作，張元亭真正想做的是進一步提高測量精度并擴充基于可穿戴設(shè)備的多模態(tài)數(shù)據(jù)庫。把血壓、基因參數(shù)、血液生化參數(shù)、影像參數(shù)等融合起來，實現(xiàn)重大疾病尤其心腦血管疾病早期預(yù)測預(yù)防。

所謂無擾式、無袖帶血壓測量（又稱血壓圖技術(shù)(Tonoarteriography))是可以連續(xù)、實時、逐次心跳測量血壓以改進對心腦血管和高血壓病人的遠程及移動監(jiān)控，即使當他們正在睡覺中也可以獲取他們的相關(guān)健康數(shù)據(jù)。無袖帶的特點使其可以應(yīng)用在各種可以隨時隨地測量血壓的可穿戴載體上，比如手表、眼鏡、手機、衣料、電子皮膚或者貼膚柔性器件。

“可穿戴檢測血壓、24小時連續(xù)檢測、檢測無擾、不影響人的正常生活”是這類血壓測量設(shè)備的關(guān)鍵詞。通過精準血壓參數(shù)測量與多模信息融合，即可早期診斷并預(yù)測心血管疾病。

當能實現(xiàn)無袖帶可穿戴血壓測量功能后，張元亭就將此次研究中最大挑戰(zhàn)之一鎖定為電池。

由于可穿戴設(shè)備的體積較小，電池容量有限，導(dǎo)致其續(xù)航能力相對較弱，用戶不得不頻繁地更換電池。“設(shè)備耗電量很大，幾個小時就沒電了?！睆堅じ嬖V橙果局，大約二十年前，那時候還沒有可穿戴設(shè)備的充電器，電池續(xù)航時間基本成為學(xué)者們的重要研究方向之一。

一些學(xué)者往電池材料技術(shù)上攻克，研發(fā)出能量收集器、鋰離子電池、薄膜電池、石墨烯電池四類，其中，石墨烯電池被認為是目前所有電池類型中能量密度最高、電量存儲能力最強的電池。

而包括張元亭在內(nèi)的另一批學(xué)者則選擇從降低整體可穿戴設(shè)備功耗上下手。他們認為可穿戴設(shè)備主要用來生理信號的采集、處理和無線傳輸，傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計方法和技巧追求速度快、規(guī)模大不完全適用可穿戴設(shè)備，而可穿戴設(shè)備需要“三低”即低功耗、低頻率及低噪聲的芯片。

2008年，張元亭團隊推出全球第一顆PPG檢測芯片——最早開始追求用于可穿戴設(shè)備的低功耗、低噪聲、低頻率三低芯片設(shè)計目標。

2011年，張元亭團隊再次提出一種可用于血氧飽和度檢測集成電路的低功耗設(shè)計新方法，采用先電流濾波再對數(shù)放大的前端處理思路簡化電路結(jié)構(gòu)、降低功耗，在相同檢測條件下，使LED驅(qū)動脈沖電流占空比從原來的3%降為0.3%甚至更低，占檢測系統(tǒng)功耗主要部分的LED模塊功耗降為原來的1/10甚至更低。

最后仿真結(jié)果表明,在1.8V電源電壓下,輸入電流為2.7～15μA時,芯片總消耗電流僅為22～80μA。

光是解決可穿戴設(shè)備供電問題，張元亭早期消耗了不少時間。在可穿戴設(shè)備小型化及電池蓄能被極為重視的襯托下，“生理參數(shù)測量精確度”問題，應(yīng)該算是張元亭的大意之舉。

“當時動脈收縮血壓數(shù)據(jù)檢測誤差就已經(jīng)達到10毫米汞柱以下，我想再努力一下，就很容易降到8毫米汞柱的方差，無袖帶、連續(xù)血壓測量設(shè)備就可以通過美國FDA了?！?/p>

但就是這2個毫米汞柱的差距，張元亭和團隊久攻不下?！熬涂ㄔ谀莻€地方，一直達不到標準?！?/p>

為了解決精確性的問題，不少學(xué)者提出了各種血壓估計模型，包括應(yīng)用Navier-Stokes方程、Moens-Korteweg（M-K）公式、啟發(fā)式建模與回歸技術(shù)相結(jié)合、或使用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法如機器學(xué)習(xí)進行預(yù)測建模。

但張元亭需要的是能在不同的活動狀態(tài)下、不同的身體姿勢、不同的溫度和濕度條件下以及不同的個體中，都可以進行無袖帶血壓測量，并能到準確、可靠的方法。

為此，張元亭團隊較早大膽嘗試了機器學(xué)習(xí)算法，通過建立多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)更高級別的特征表示，從而提高血壓估計準確性。

博士時期，張元亭就接觸到人工智能技術(shù)，但當時并未做更多深入。原因很簡單，“我個人的定位是做與健康醫(yī)療直接相關(guān)的技術(shù)研究，具體研究是生物電信號在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其與肌肉系統(tǒng)之間傳輸?shù)纳锿ㄐ判诺滥Ｐ汀Ｈ斯ぶ悄苁怯嬎銠C算法問題，是對大腦神經(jīng)系統(tǒng)的模仿，強調(diào)人工智能‘工’的一面而‘人’/‘生物’的一面關(guān)注不足。那時我的想法是：哪一天計算機方面專家把人工智能做強了，能進行精準有效預(yù)測或是分類時，那我就回來用它解決醫(yī)療健康問題?！?/p>

從2011年起，人工智能一路狂奔。2023年，生成式人工智能或ChatGPT的出現(xiàn)再次把AI技術(shù)推上神壇。隨著AI技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的深入，張元亭同樣也感受到： 重大疾病如心腦血管病預(yù)測所需的數(shù)據(jù)不僅非常多，而且是多模態(tài)的，信息量很大。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以實現(xiàn)精準分類和預(yù)測，只有人工智能可以有效處理。

早在2009年在他負責(zé)的國家重大基礎(chǔ)研究計劃“973”項目中就提出了用機器學(xué)習(xí)方法解決那些心腦血管疾病預(yù)測的挑戰(zhàn)。在2016年，張元亭團隊首次用實驗數(shù)據(jù)演示機器學(xué)習(xí)方法，在無袖帶血壓估計準確度上超越了所有基于生物機理機制數(shù)學(xué)模型。

2023年，張元亭團隊終于在數(shù)據(jù)精準度上迎來了突破。實驗室博士后與研究人員采用AI方法，從公開數(shù)據(jù)庫集中獲得660受試者的血壓數(shù)據(jù)，其中包括2/3高血壓病人和1/3正常人，最終數(shù)據(jù)顯示血壓估計絕對誤差小于5毫米汞柱。

“這600多人的測試結(jié)果，是我感覺目前最精準的血壓估計數(shù)據(jù)?！痹跁錾?，張元亭向觀眾們分享了這個好消息。

在兩大技術(shù)難點都被攻克后，張元亭打算進一步開展大量臨床測試和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需要考慮方方面面

產(chǎn)業(yè)界對于穿戴設(shè)備研究的反饋頗為熱烈。根據(jù)頭豹報告顯示，近年來，中國可穿戴醫(yī)療設(shè)備的市場規(guī)模不斷攀升，伴隨著利好政策的指引以及5G和物聯(lián)網(wǎng)等信息基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，2017-2021年中國可穿戴醫(yī)療設(shè)備的市場規(guī)模由48.9億元增長至143.7億元，年復(fù)合增長率達到30.9%，預(yù)計2022年-2026年復(fù)合增長率約為18.1%。

張元亭設(shè)計無擾式智能穿戴血壓檢測設(shè)備的初衷，也是為了解決龐大市場規(guī)模背后的慢性管理問題?，F(xiàn)在，可穿戴醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)慢慢影響居民的日常生活，被應(yīng)用在各個引用場景，包括心腦血管疾病預(yù)測預(yù)防、高血壓控制、糖尿病管理等。

在會場上，這位近70歲的教授最“潮”。演講時，手腕上的智能手表即能控制智能手機PPT翻頁。實際上，他從2015年就開始用智能手機加手表作報告、講課，十幾年來基本不用計算機作ppt演講了。

張元亭告訴橙果局，技術(shù)上實現(xiàn)這一功能并不難，開發(fā)也許只要幾個月時間，但設(shè)備的廣泛推廣使用需要時間。如果放在醫(yī)療場景，可穿戴設(shè)備的發(fā)展與推廣應(yīng)用就更不容易了。

“首先，每個生理參數(shù)測量都有其個性的要求，不同參數(shù)問題，需要的研發(fā)時間也不一樣?！崩?，解決心率問題，最短只要2-3個月就可以完成，但搞定無袖帶血壓，實現(xiàn)估計動脈血壓變化趨勢或?qū)崿F(xiàn)共功能則用了張元亭實驗室約一年時間。

其次，相較于研發(fā)，醫(yī)療級產(chǎn)品的推廣使用有嚴重的滯后性。二十多年前，張元亭團隊就攻破了介指上無線精準心率測量技術(shù)難關(guān)，直到最近幾年，他才看到相關(guān)產(chǎn)品上市。而二十多年過去，針對無擾式醫(yī)療級精準血壓測量設(shè)備，仍然沒有產(chǎn)品上市。

“和其他電子產(chǎn)業(yè)最大的不同是，這個醫(yī)療級可穿戴產(chǎn)品往往需要藥監(jiān)局批準。”

1智能穿戴，“SUPERMINDS”概念是趨勢

2015年，張元亭曾在美國硅谷蘋果公司傳感硬件及健康科技部擔任傳感系統(tǒng)構(gòu)架師、顧問一職。在蘋果的那3年時間，張元亭親眼見識到了一家世界級公司是如何做產(chǎn)品的。“作為內(nèi)部技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)員工，我最大的感受就是做產(chǎn)品要考慮到的方方面面如此之多，遠遠超過在大學(xué)實驗室核心技術(shù)攻關(guān)?！?/p>

“就是一個小小的手表，我可以看到公司投入的人才、精力和時間都非常嚴格和巨大。不管是功能、精準度還是外形，他們都盡可能做到極致。”

 全球第一款無袖帶血壓測量手表，受訪者供圖

2006年，張元亭研發(fā)出了全球第一臺可穿戴無袖帶血壓測量手表，不僅如此，他在香港中文大學(xué)的實驗室還將其拓展在不同平臺上，如衣服、眼鏡、介指、手機、床墊、坐椅等。

即便如此，該無袖帶測試技術(shù)成果仍然沒有實現(xiàn)批量產(chǎn)業(yè)化。追問背后的原因，張元亭表示：“我不想推出一個還沒達到醫(yī)療級標準的血壓測量設(shè)備產(chǎn)品。”

多年前，他提出可穿戴設(shè)備“SUPERMINDS”的“五性五化”設(shè)計概念——安全性、無擾性、個體性、高效性、魯棒性、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、標準化，希望智能穿戴醫(yī)療產(chǎn)品更早、更好進入人們的生活。

以無擾式測量為例，他們設(shè)計岀了新型織物傳感器并放在床墊上，病人身穿正常睡衣躺在床上，就可獲取血壓、心電和呼吸等數(shù)據(jù)；也可“就像創(chuàng)口貼一樣”，做到了可貼式的用于血壓，心電等生理參數(shù)的各種柔性傳感器。

 張元亭獲得2023IEEE生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會威廉姆斯J. 莫洛克獎，受訪者供圖

為表彰他在可穿戴技術(shù)的開創(chuàng)性研究，IEEE-EMBS在2023年國際年會上將生物醫(yī)學(xué)工程屆歷史最悠久的威廉姆 J. 莫洛克獎頒發(fā)給了張元亭，他也成為迄今為止設(shè)該獎60多年來唯一一位來自亞洲地區(qū)獲得此榮譽的學(xué)者。

2成果轉(zhuǎn)化在于“融合收斂”

要產(chǎn)業(yè)化，離不開產(chǎn)品的“二次開發(fā)”。張元亭始終認為，核心技術(shù)一般都是大學(xué)研究出來的，大學(xué)實驗室的原型機離產(chǎn)品往往相差很遠，不能滿足客戶需要。二次性開發(fā)很重要， 大學(xué)要做基礎(chǔ)和核心技術(shù)研究, 發(fā)表文章, 不適合做產(chǎn)品開發(fā)，公司難以啃下相關(guān)核心技術(shù)，公司也需要科研人員的技術(shù)支持。

2023年8月29號，國務(wù)院印發(fā)《河套深港科技創(chuàng)新合作區(qū)深圳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，目的是在深圳與香港交屆的河套區(qū)培育一批世界一流的創(chuàng)新載體和頂尖科技企業(yè)研發(fā)中心，成為世界級的科研樞紐。

抓住這一難得機會，張元亭正在此河套地區(qū)，發(fā)揮粵港澳大灣區(qū)與國際合作優(yōu)勢，搭建起心腦血管疾病早期防治生態(tài)系統(tǒng)的初型?！熬褪且蚱菩畔⒐聧u，讓產(chǎn)業(yè)與學(xué)界，學(xué)科與學(xué)科之間深度融合、共同研發(fā)核心技術(shù)，建立生態(tài)系統(tǒng)，引領(lǐng)新興醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為人類健康事業(yè)做出貢獻。”

他還是最喜歡麻省理工學(xué)院Phillip Sharp教授提出的“convergence:第三次革命”概念——生命科學(xué)，物理數(shù)學(xué)，數(shù)字，及工程學(xué)在醫(yī)療領(lǐng)域的融合收斂。

不同技術(shù)和學(xué)科要如何融合形成統(tǒng)一的整體，從而產(chǎn)生新的途徑和機遇而實現(xiàn)重大疾病的早期預(yù)測、早期診斷、早期干預(yù)生態(tài)系統(tǒng)。張元亭說，這是有挑戰(zhàn)、不容易的地方。他現(xiàn)在想先從高血壓控制及心腦血管疾病防治及已有的研究平臺上做起，將多學(xué)科多領(lǐng)域人才與技術(shù)融合。

這又是一次拓荒。張元亭說，未來15年，他將持續(xù)推動以融合收斂為指導(dǎo)、以智能可穿戴移動健康技術(shù)為核心的健康工程的發(fā)展，建立起聯(lián)接個人、家庭與醫(yī)院（connected health)的閉環(huán)心腦血管疾病防治生態(tài)系統(tǒng)（健康“使命”平臺）。

作為該平臺第一期, 團隊爭取3至5年內(nèi)，與醫(yī)院、醫(yī)療器械公司和移動終端設(shè)備公司緊密合作，借助生成式人工智能和可穿戴技術(shù)，研發(fā)出來融合實時生理參數(shù)、生物標記物，血管影像標記物的個性化智能醫(yī)生（personalized AI doctor) ，以助力醫(yī)生實施心腦血管疾病尤其易損班塊/易損病人的全面篩查、早期預(yù)測與早期干預(yù)。

或許，你在某次重要會議上，還會聽到他講訴無擾式智能穿戴設(shè)備、心腦血管疾病防治生態(tài)系統(tǒng)、及河套融合發(fā)展的最新進展。

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