瞄准智能医疗级可穿戴设备，这位院士用20多年专注实现性能标准化

每出席一个重要会议，国际医学与生物工程院院士、香港中文大学教授、香港医学工程研究院创始人、牛津大学高等研究院（苏州）客座教授张元亭都会强调心血管疾病预测早筛之急迫。

在2023未来医疗科技大会上，张元亭同样也谈到，虽然医疗科技发展迅速很快，但中国及全球心脑血管疾病的发病率与死亡率都仍是逐年上升，尤其急性心脏病与中风突发到死亡可能就是五六分钟的事儿。

“目前大部分注意力都放在了疾病的后期治疗，但心血管脑中风事件大部分都发生并死在在医院外，在诊断治疗后也是呆在家里，现在家里的护理设施不完善，远程病人监护系统缺乏，疾病早期防治手段缺乏。”

 张元亭在未来医疗科技大会上分享成果，来源于动脉网

这已经是一个全球关注的严重问题。心血管疾病一直是全球死亡的主要原因。世界心脏病联盟发布相关统计，2021年，有2050万人死于心血管疾病，这一数字约占全球死亡总人数的三分之一。近30年来，全球心血管疾病死亡人数在增加，这很大程度上源于人口老龄化人口增长。

“都知道心脑血管疾病最主要的危险因子是高血压，然而其测量平台与设备到现在还是不尽如人意。”

心脑血管疾病死亡率逐年攀升及风险检测设备的严重缺乏成了张元亭决定、坚持专研一种新的重大疾病筛查与建立防治生态系统的驱动力。“早期筛查与预防是极其重要的，是解决心血管疾病突发性死亡问题的根本方法。”张元亭确信，根据收集到的多模健康信息来进行早期策略性关注及早发现、早断判、早干預、早康复，就可以大大降低心血管疾病突发性死亡率。“突发血压升高或生理参数不稳定时，基于可智能穿戴技术的移动健康系统可以马上发出警示，及时与周围医院联系。”

二十多年间，张元亭一直致力于智能可穿戴设备的研究。早在2000年，张元亭在IEEE-EMBS专题学术会议上发表了利用手机与互联网无线连接的模拟与移动健康实验方案。该方案不仅实现了短信、语音与数据传输，还在移动手机上首次获取并显示了存储在互联网上的生理数据，例如心电、血压等。在移动健康技术方面的开拓性工作赢得了IEEE生物医学工程（EMBS）学会最佳论文奖。

2004年，张元亭携手英国科学家Robert S.H. Istepanian、美国科学家Emil Jovanov，在《IEEE生物医学信息技术学报》上对“移动健康”作了较早的界定，也是国际上首次将可穿戴技术引入移动健康。今年该学报已决定发表二十周年特刋专辑记念他们的移动健康里程碑工作，并进一步推动其技术全面深入发展。

媒体称他为，可穿戴移动健康的“拓荒者”。

2000年，外资纷纷进入中国市场，对中国网络通信行业及生物传感器行业的发展起到技术支撑作用，推动了网络技术和传感器技术。

张元亭是这批最早研究可穿戴医疗设备的学者中的一个。出发时，张元亭还感觉比较孤单。当时整个中国学术界对可穿戴医疗设备领域的探索几乎一片荒芜。所有的一切都等着他们开垦。挖到石头，水源不足是常有的事。而这名拓荒者的动力来源于一股浓厚的兴趣。

张元亭硕士和博士研究方向分别是电子通信技术和生物电信号在神经与肌肉通信系统建模。“早期在大学期间就喜欢无线电通信，读硕士研究生时喜欢大规模集成电路，读博士学位期间对信号在生物神经网络传输与生物通信保持强烈的兴趣。”

张元亭在硕博学习期间，同时解锁了微弱信号检测与传输软件和硬件搭建技能。八十年代初期，晶体管电路蓬勃发展、集成电路刚刚起步，他有关CCD集成电路并联应用降低电荷传输噪声理论与技术的硕士生研究成果填补了空白，并当时受到其论文校外主审，雷达、信息处理技术国家级专家，北京理工大学毛二可教授的肯定。

后来，在香港中文大学工作期间转向可穿戴医疗设备与移动健康技术开发时，他也觉得是兴趣的延续与应用。

2018年，有位记者问张元亭：“哪些技术很有价值却被业界忽略了？”

张元亭脱口答道：“传感器！”

在医疗设备领域，张元亭期待结合生物传感器技术做出一个具有革命性意义和具有广泛健康市场需求的新型医疗设备。“从生理参数检测来看，我唯一不太满意的是血压测量设备，充放气䄂带即不方便携带使用，也难于实现每搏连续血压测量。”

1733年斯蒂芬•海尔斯进行了最早的直接动脉血压测量。此后,血压监测技术的发展,出现了水银血压计与袖带、柯氏音听诊法一起组成了目前临床血压测量的金标准。1973年的电子血压计和1980年的示波法自动测量血压成为至今仍为广泛使用的方法。20世纪60年代,电子压力换能器的出现使有创血压监测技术得以在临床上广泛使用。

但“不精准、不连续、不及时、不方便使用、无法预测心脑血管疾病”仍是目前有袖带血压测量设备致命的缺点。

张元亭想要克服这些缺点，想要革命性地研发出一种无袖带、无干扰的智能测量设备。20多年过去，张元亭仍然认为：“无扰式医疗级血压检测设备市场和技术意义非常大，引起学术界和工业界广泛关注，但至今还沒有规模性临床应用，仍需继续努力！”

关于可穿戴设备的无扰式连续血压测量的研究工作，张元亭真正想做的是进一步提高测量精度并扩充基于可穿戴设备的多模态数据库。把血压、基因参数、血液生化参数、影像参数等融合起来，实现重大疾病尤其心脑血管疾病早期预测预防。

所谓无扰式、无袖带血压测量（又称血压图技术(Tonoarteriography))是可以连续、实时、逐次心跳测量血压以改进对心脑血管和高血压病人的远程及移动监控，即使当他们正在睡觉中也可以获取他们的相关健康数据。无袖带的特点使其可以应用在各种可以随时随地测量血压的可穿戴载体上，比如手表、眼镜、手机、衣料、电子皮肤或者贴肤柔性器件。

“可穿戴检测血压、24小时连续检测、检测无扰、不影响人的正常生活”是这类血压测量设备的关键词。通过精准血压参数测量与多模信息融合，即可早期诊断并预测心血管疾病。

当能实现无袖带可穿戴血压测量功能后，张元亭就将此次研究中最大挑战之一锁定为电池。

由于可穿戴设备的体积较小，电池容量有限，导致其续航能力相对较弱，用户不得不频繁地更换电池。“设备耗电量很大，几个小时就没电了。”张元亭告诉橙果局，大约二十年前，那时候还没有可穿戴设备的充电器，电池续航时间基本成为学者们的重要研究方向之一。

一些学者往电池材料技术上攻克，研发出能量收集器、锂离子电池、薄膜电池、石墨烯电池四类，其中，石墨烯电池被认为是目前所有电池类型中能量密度最高、电量存储能力最强的电池。

而包括张元亭在内的另一批学者则选择从降低整体可穿戴设备功耗上下手。他们认为可穿戴设备主要用来生理信号的采集、处理和无线传输，传统的集成电路设计方法和技巧追求速度快、规模大不完全适用可穿戴设备，而可穿戴设备需要“三低”即低功耗、低频率及低噪声的芯片。

2008年，张元亭团队推出全球第一颗PPG检测芯片——最早开始追求用于可穿戴设备的低功耗、低噪声、低频率三低芯片设计目标。

2011年，张元亭团队再次提出一种可用于血氧饱和度检测集成电路的低功耗设计新方法，采用先电流滤波再对数放大的前端处理思路简化电路结构、降低功耗，在相同检测条件下，使LED驱动脉冲电流占空比从原来的3%降为0.3%甚至更低，占检测系统功耗主要部分的LED模块功耗降为原来的1/10甚至更低。

最后仿真结果表明,在1.8V电源电压下,输入电流为2.7～15μA时,芯片总消耗电流仅为22～80μA。

光是解决可穿戴设备供电问题，张元亭早期消耗了不少时间。在可穿戴设备小型化及电池蓄能被极为重视的衬托下，“生理参数测量精确度”问题，应该算是张元亭的大意之举。

“当时动脉收缩血压数据检测误差就已经达到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，无袖带、连续血压测量设备就可以通过美国FDA了。”

但就是这2个毫米汞柱的差距，张元亭和团队久攻不下。“就卡在那个地方，一直达不到标准。”

为了解决精确性的问题，不少学者提出了各种血压估计模型，包括应用Navier-Stokes方程、Moens-Korteweg（M-K）公式、启发式建模与回归技术相结合、或使用数据驱动的方法如机器学习进行预测建模。

但张元亭需要的是能在不同的活动状态下、不同的身体姿势、不同的温度和湿度条件下以及不同的个体中，都可以进行无袖带血压测量，并能到准确、可靠的方法。

为此，张元亭团队较早大胆尝试了机器学习算法，通过建立多层神经网络来学习更高级别的特征表示，从而提高血压估计准确性。

博士时期，张元亭就接触到人工智能技术，但当时并未做更多深入。原因很简单，“我个人的定位是做与健康医疗直接相关的技术研究，具体研究是生物电信号在神经网络及其与肌肉系统之间传输的生物通信信道模型。人工智能是计算机算法问题，是对大脑神经系统的模仿，强调人工智能‘工’的一面而‘人’/‘生物’的一面关注不足。那时我的想法是：哪一天计算机方面专家把人工智能做强了，能进行精准有效预测或是分类时，那我就回来用它解决医疗健康问题。”

从2011年起，人工智能一路狂奔。2023年，生成式人工智能或ChatGPT的出现再次把AI技术推上神坛。随着AI技术在医疗行业的深入，张元亭同样也感受到： 重大疾病如心脑血管病预测所需的数据不仅非常多，而且是多模态的，信息量很大。传统的数学模型难以实现精准分类和预测，只有人工智能可以有效处理。

早在2009年在他负责的国家重大基础研究计划“973”项目中就提出了用机器学习方法解决那些心脑血管疾病预测的挑战。在2016年，张元亭团队首次用实验数据演示机器学习方法，在无袖带血压估计准确度上超越了所有基于生物机理机制数学模型。

2023年，张元亭团队终于在数据精准度上迎来了突破。实验室博士后与研究人员采用AI方法，从公开数据库集中获得660受试者的血压数据，其中包括2/3高血压病人和1/3正常人，最终数据显示血压估计绝对误差小于5毫米汞柱。

“这600多人的测试结果，是我感觉目前最精准的血压估计数据。”在会场上，张元亭向观众们分享了这个好消息。

在两大技术难点都被攻克后，张元亭打算进一步开展大量临床测试和技术产业化。

产业界对于穿戴设备研究的反馈颇为热烈。根据头豹报告显示，近年来，中国可穿戴医疗设备的市场规模不断攀升，伴随着利好政策的指引以及5G和物联网等信息基础建设的发展，2017-2021年中国可穿戴医疗设备的市场规模由48.9亿元增长至143.7亿元，年复合增长率达到30.9%，预计2022年-2026年复合增长率约为18.1%。

张元亭设计无扰式智能穿戴血压检测设备的初衷，也是为了解决庞大市场规模背后的慢性管理问题。现在，可穿戴医疗设备已经慢慢影响居民的日常生活，被应用在各个引用场景，包括心脑血管疾病预测预防、高血压控制、糖尿病管理等。

在会场上，这位近70岁的教授最“潮”。演讲时，手腕上的智能手表即能控制智能手机PPT翻页。实际上，他从2015年就开始用智能手机加手表作报告、讲课，十几年来基本不用计算机作ppt演讲了。

张元亭告诉橙果局，技术上实现这一功能并不难，开发也许只要几个月时间，但设备的广泛推广使用需要时间。如果放在医疗场景，可穿戴设备的发展与推广应用就更不容易了。

“首先，每个生理参数测量都有其个性的要求，不同参数问题，需要的研发时间也不一样。”例如，解决心率问题，最短只要2-3个月就可以完成，但搞定无袖带血压，实现估计动脉血压变化趋势或实现共功能则用了张元亭实验室约一年时间。

其次，相较于研发，医疗级产品的推广使用有严重的滞后性。二十多年前，张元亭团队就攻破了介指上无线精准心率测量技术难关，直到最近几年，他才看到相关产品上市。而二十多年过去，针对无扰式医疗级精准血压测量设备，仍然没有产品上市。

“和其他电子产业最大的不同是，这个医疗级可穿戴产品往往需要药监局批准。”

2015年，张元亭曾在美国硅谷苹果公司传感硬件及健康科技部担任传感系统构架师、顾问一职。在苹果的那3年时间，张元亭亲眼见识到了一家世界级公司是如何做产品的。“作为内部技术产品研发员工，我最大的感受就是做产品要考虑到的方方面面如此之多，远远超过在大学实验室核心技术攻关。”

“就是一个小小的手表，我可以看到公司投入的人才、精力和时间都非常严格和巨大。不管是功能、精准度还是外形，他们都尽可能做到极致。”

 全球第一款无袖带血压测量手表，受访者供图

2006年，张元亭研发出了全球第一台可穿戴无袖带血压测量手表，不仅如此，他在香港中文大学的实验室还将其拓展在不同平台上，如衣服、眼镜、介指、手机、床垫、坐椅等。

即便如此，该无袖带测试技术成果仍然没有实现批量产业化。追问背后的原因，张元亭表示：“我不想推出一个还没达到医疗级标准的血压测量设备产品。”

多年前，他提出可穿戴设备“SUPERMINDS”的“五性五化”设计概念——安全性、无扰性、个体性、高效性、鲁棒性、小型化、智能化、网络化、数字化、标准化，希望智能穿戴医疗产品更早、更好进入人们的生活。

以无扰式测量为例，他们设计岀了新型织物传感器并放在床垫上，病人身穿正常睡衣躺在床上，就可获取血压、心电和呼吸等数据；也可“就像创口贴一样”，做到了可贴式的用于血压，心电等生理参数的各种柔性传感器。

 张元亭获得2023IEEE生物医学工程学会威廉姆斯J. 莫洛克奖，受访者供图

为表彰他在可穿戴技术的开创性研究，IEEE-EMBS在2023年国际年会上将生物医学工程届历史最悠久的威廉姆 J. 莫洛克奖颁发给了张元亭，他也成为迄今为止设该奖60多年来唯一一位来自亚洲地区获得此荣誉的学者。

要产业化，离不开产品的“二次开发”。张元亭始终认为，核心技术一般都是大学研究出来的，大学实验室的原型机离产品往往相差很远，不能满足客户需要。二次性开发很重要， 大学要做基础和核心技术研究, 发表文章, 不适合做产品开发，公司难以啃下相关核心技术，公司也需要科研人员的技术支持。

2023年8月29号，国务院印发《河套深港科技创新合作区深圳园区发展规划》，目的是在深圳与香港交届的河套区培育一批世界一流的创新载体和顶尖科技企业研发中心，成为世界级的科研枢纽。

抓住这一难得机会，张元亭正在此河套地区，发挥粤港澳大湾区与国际合作优势，搭建起心脑血管疾病早期防治生态系统的初型。“就是要打破信息孤岛，让产业与学界，学科与学科之间深度融合、共同研发核心技术，建立生态系统，引领新兴医疗健康产业发展，为人类健康事业做出贡献。”

他还是最喜欢麻省理工学院Phillip Sharp教授提出的“convergence:第三次革命”概念——生命科学，物理数学，数字，及工程学在医疗领域的融合收敛。

不同技术和学科要如何融合形成统一的整体，从而产生新的途径和机遇而实现重大疾病的早期预测、早期诊断、早期干预生态系统。张元亭说，这是有挑战、不容易的地方。他现在想先从高血压控制及心脑血管疾病防治及已有的研究平台上做起，将多学科多领域人才与技术融合。

这又是一次拓荒。张元亭说，未来15年，他将持续推动以融合收敛为指导、以智能可穿戴移动健康技术为核心的健康工程的发展，建立起联接个人、家庭与医院（connected health)的闭环心脑血管疾病防治生态系统（健康“使命”平台）。

作为该平台第一期, 团队争取3至5年内，与医院、医疗器械公司和移动终端设备公司紧密合作，借助生成式人工智能和可穿戴技术，研发出来融合实时生理参数、生物标记物，血管影像标记物的个性化智能医生（personalized AI doctor) ，以助力医生实施心脑血管疾病尤其易损班块/易损病人的全面筛查、早期预测与早期干预。

或许，你在某次重要会议上，还会听到他讲诉无扰式智能穿戴设备、心脑血管疾病防治生态系统、及河套融合发展的最新进展。