可穿戴設備在骨科的應用與研究*

范華雨曹向陽楊鑫

（河南省洛陽正骨醫(yī)院河南省骨科醫(yī)院鄭州院區(qū)頸肩腰腿疼一科，鄭州450000）

2012年Google公司發(fā)布智能眼鏡引發(fā)世界高度關注，被稱作“智能可穿戴設備元年”[1]。隨后，三星公司等紛紛推出可穿戴產品[2]。2014年，蘋果發(fā)布了可穿戴領域的Apple Watch智能手表。與此同時，國內的華為、小米等廠家也相繼推出了自主品牌的手環(huán)等設備，由此可見可穿戴技術是未來的發(fā)展趨勢。隨著傳感器、嵌入式、體域網[3]等技術的發(fā)展，這些商業(yè)化的可穿戴設備從生活領域也逐步進入到醫(yī)療領域，并在醫(yī)療領域中迅速發(fā)展。

1 可穿戴設備

可穿戴技術（wearable technology,WT），最早是20世紀60年代由美國麻省理工學院媒體實驗室提出的創(chuàng)新技術[4]。最初的設計主旨是便利，通過把無線電、多媒體以及傳感器等技術融合在一起制造出通過手勢、眼球運動等動作即可操控并能隨身攜帶的設備。而穿戴設備即是可以穿戴或者佩戴在人身體上的設備的總稱，意為輔助人的便攜設備，是WT的實現(xiàn)方式[5]，其不僅僅是硬件設備，更可通過軟件支持以及數(shù)據(jù)、云端交互來實現(xiàn)強大功能。穿戴設備共由三個基礎部分組成，包括傳感單元、通信單元、處理單元[6]。其特征是可移動性、可穿戴性、可持續(xù)性、簡單操作性、可交互性[7]。其形式的發(fā)展也千變萬化，由智能手環(huán)等逐步到四肢外骨骼機器人等。在骨科的應用范圍也由簡單的記錄心率、體溫等生命體征擴展到四肢活動度、步態(tài)分析、計算并分析力學動靜態(tài)穩(wěn)定等。隨著藍牙、WiFi、Zigbee、GPS、計算機軟硬件、人體通信技術、移動APP終端的發(fā)展[8]，WT也越來越精準化和個體醫(yī)療化，其在骨科領域的應用范圍越來越廣。

2 可穿戴設備在骨科退行性病變中的預防與治療中的應用

進行早期預防及避免疾病發(fā)生是骨科退行性疾病治療的關鍵。以頸椎病為例，我們可能無法改變正常的頸椎生理退變，但可以干預其加劇退變的因素，長期伏案工作人群的頸椎病發(fā)病率要高于常人，其原因是由于姿勢不良加劇頸椎退變而導致的?；诖?，可穿戴人體姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在頸椎病的預防中發(fā)揮了一定的作用。其主要原理是對捕捉到的頸椎姿勢，通過數(shù)據(jù)庫、相關的數(shù)據(jù)模型等對佩戴者所處的姿勢是否正確進行分析，如出現(xiàn)異?？梢钥焖俜答伒脚宕髡叩氖謾C終端等，通過震動、提示音等方式提示佩戴者更改姿勢并適當運動頸部[9]。髖膝關節(jié)姿勢監(jiān)測[10]也是根據(jù)此原理而設計的。可穿戴設備對骨科退變性疾病可以起到一定的預防和監(jiān)控作用，在一定程度上可以減緩其退變的過程。

而在骨科退行性疾病的治療方面，可穿戴設備也有一定的作用。以膝骨關節(jié)炎為例，隨著老齡化社會的出現(xiàn)，骨科退行性病變如骨關節(jié)炎等越來越影響人們的生活質量，這在老年人中尤為明顯，疼痛、畸形等癥狀迫使老年人越來越離不開輪椅、拐杖等輔助工具。運動療法對于輕中度膝骨關節(jié)炎的治療效果已得到肯定[11]，但大多數(shù)患者由于疼痛等因素不能進行有效而持續(xù)的肌力訓練及關節(jié)活動度鍛煉。Papi等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，其研發(fā)的用于膝關節(jié)康復的可穿戴設備因其外觀及舒適性被大多數(shù)患者接受并發(fā)揮其監(jiān)測作用，該設備可以激勵患者堅持鍛煉并通過相應的人機交互方式加深患者對持續(xù)運動療法的認識，提高患者的主觀能動性，使得患者能夠持續(xù)的進行運動療法，從而對膝骨關節(jié)炎起到一定的治療作用。

3 可穿戴設備在骨科手術術后的應用

骨科手術亦屬于常規(guī)手術中的一種，術后同樣需要檢測血壓、體溫、疼痛等生命體征，從而更好地進行術后管理，但又不同于一般的手術，例如髖、膝關節(jié)置換術后要求患者進行關節(jié)功能鍛煉等；又例如髖、膝關節(jié)置換術或骨折術后要求患者進行關節(jié)屈伸活動度的訓練以防止關節(jié)粘連等導致的關節(jié)功能活動的喪失。

傳統(tǒng)而言，一般患者的術后監(jiān)護采用的是院內的心電監(jiān)護機，但因其使用的空間局限性和眾多的導線等，不利于患者早期的下床活動，并且可能影響患者的術后情緒，故最初由Lo等[13]研發(fā)了一種名為e-AR的可穿戴設備，通過其血氧模塊對患者的血氧含量進行檢測，醫(yī)護端可以直觀的看到所采集的連續(xù)氧合指數(shù)等數(shù)據(jù)，避免了普通心電監(jiān)護儀間斷記錄數(shù)據(jù)造成的誤差；目前國內由楊龍頻等[14]研發(fā)的可穿戴胸帶、腕帶通過傳感器和專利算法技術，可以直接測量和記錄血壓、脈搏、血糖、體溫、心率等各種體征數(shù)據(jù)，此設備可使骨科術后管理變得更加便捷；基于步態(tài)分析的陀螺儀和線性加速計而設計的可穿戴設備[15]可根據(jù)穿戴者行走時肢體角速度和行走時直線加速度的監(jiān)測預判患者術后跌倒等突發(fā)事件的概率。

對于髖、膝關節(jié)骨折及關節(jié)置換手術，結合目前較為流行且成熟的微創(chuàng)技術，極大縮短了患者的臥床時間及住院時間，但同時也帶來了一個院外康復及康復有效率的問題，如傳統(tǒng)的CPM機只能人為設置一定的屈伸角度、速度、時間，并且患者在使用CPM機時也不能夠全程有專業(yè)人士指導，故有術后使用CPM機造成再次骨折的報道[16]。骨科手術成功后，其后期的康復占據(jù)了主導地位?？纱┐髟O備在骨科術后康復鍛煉中的發(fā)展是非常迅速的，從最開始的僅含有一個傳感器感知單一關節(jié)屈伸角度到奧地利Tyromotion研制的Pablo?系統(tǒng)的手持式康復設備[17]可測量并記錄多傳感器多關節(jié)多方向多角度的設備，可以直觀的記錄其數(shù)據(jù)并以數(shù)據(jù)圖的形式顯示，使患者和醫(yī)師均能直觀地看到患者鍛煉的角度是否達到預設目標，從而對鍛煉的有效性及程度有直觀的認識。如梁文淵等[18]研制的一款特定針對人體髖關節(jié)的助力機器人，能夠跟隨大腿一起完成3個自由度的運動，實現(xiàn)人體髖關節(jié)3個自由度助力，使得患者能夠在較少負重的情況下下床活動，有利于早期康復與功能鍛煉；又如美國哈佛大學研究團隊的外骨骼機器衣[19]，其功能從最開始的僅記錄單個關節(jié)活動度發(fā)展到不僅能夠測量其運動的角度及范圍，更主要的是還能夠輔助踝關節(jié)、髖關節(jié)等多個關節(jié)運動，并能實時反饋到移動終端，醫(yī)師和患者均可直觀地觀測到患者下床后的活動情況，從而更好的修正和調整患者下床鍛煉的屈伸等角度，監(jiān)測患者術后的鍛煉。

4 可穿戴設備在脊髓損傷后康復中的應用

脊髓損傷患者大多喪失了站立、行走等生活能力，其心理打擊是可想而知的，所以早期脊髓損傷后的康復也顯得越來越重要。其目的是盡可能早的恢復患者的日常生活能力，主要是站立和行走的能力。有研究表明，脊髓損傷后開展康復越早則康復效果越好，其主要機理是促進脊髓損傷后神經的可塑性[20]。傳統(tǒng)的康復訓練主要由康復師及固定的康復器具來完成，但是由于康復師水平的參差不齊及患者過多，很難形成一對一的專業(yè)性指導及康復鍛煉。而人工外骨骼的應用使不完全脊髓損傷患者站立、行走等日程活動成為了可能。人工外骨骼的原理最初是通過仿生學理論而設計的可以使負荷轉移至輔助人體行走的可穿戴設備上，后來逐步應用到康復領域。對于截癱的患者，人工外骨骼Rewalk[21]首先通過支撐作用使不完全性脊髓損傷患者保持一定的姿勢，由輔助站立逐步發(fā)展到可以拐杖輔助下維持平衡的完全站立，然后通過其自帶的動力系統(tǒng)使患者可以逐步行走，甚至可以完成爬樓梯等動作，并通過傳感器等的反饋使其維持固定的步態(tài)，避免患者因錯誤的鍛煉方式等形成的難以更正的異常步態(tài)。在逐步的行走過程中，使患者可以減輕關節(jié)僵硬和肌肉攣縮帶來的功能障礙，使神經的可塑性得到增強[22]，此設備也可將記錄的鍛煉反饋到終端使醫(yī)師可以評估患者鍛煉的有效程度；對于四肢癱瘓的患者，因其上肢無法操作該設備，導致其自身的鍛煉更為困難，現(xiàn)有可穿戴設備可以偵測相關肌肉的表面肌電圖信號[23]，通過監(jiān)測人體神經傳導給肌肉的電信號來識別患者的哪些肌肉即將有“做”的動作，隨即反饋給外骨骼控制器，使外骨骼相應部分做出相應的動作，使四肢癱瘓的患者也可以進行早期鍛煉，避免肌肉的廢用性萎縮，增加了康復成功的可能性。

5 可穿戴設備在運動鍛煉監(jiān)測中的作用

生活中越來越多的人意識到健康的重要性，所以人們開始注重運動鍛煉。眾所周知，不健康的運動鍛煉方式可能會導致組織、關節(jié)等損傷。在運動鍛煉的過程中，基于壓力變化的分析，可穿戴設備主要用于對穿戴用戶運動時健身數(shù)據(jù)監(jiān)測和預警，如由傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、手機端以及計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整合而制成的壓力鞋墊[24]在其應用的過程中，若其壓力出現(xiàn)驟變等異常，則可以在手機端相應APP中出現(xiàn)警示，從而及時提示鍛煉人員及時更正不正確的鍛煉方式而避免相關組織關節(jié)的損傷；還可以將記錄的壓力數(shù)據(jù)通過壓力成像3D軟件在計算機上進行數(shù)據(jù)的分析與可視化，這對于鍛煉的有效性反饋起到很直觀的作用。

6 可穿戴設備的現(xiàn)有問題及未來展望

6.1 可穿戴設備的現(xiàn)有問題

可穿戴設備雖然在骨科很多領域取得了一定的成績，但就目前而言仍未完全實現(xiàn)其強大功能。盡管可穿戴設備市場增長迅速，如各式各樣的運動手環(huán)等，但其對于大多數(shù)人而言，其主要功能還僅是顯示步數(shù)、心率、血壓等，不能為用戶反饋真正有意義的信息；在健康監(jiān)測等方面，其測試人體生理、病理、健康信息的種類有限，且精準性還存在較大問題[25]；因其生產材料較為昂貴，且生產未能規(guī)模化，故其價格較高[26]，一般的民眾無法購買和使用；在續(xù)航方面，因其需要長時間監(jiān)測、存儲、傳輸多種類型的生理數(shù)據(jù)，故對能源要求比較高，而現(xiàn)有的設備普遍存在續(xù)航能力不足的情況[27]；在人機交互方面，可穿戴設備及現(xiàn)行的技術仍然無法滿足人們的需要，以脊髓損傷高位截癱的患者為例，其人機交互方式還停留在肌電圖等方面，不能完全實現(xiàn)如眼球運動等多模式控制。

6.2 可穿戴設備的未來展望

隨著技術的發(fā)展和進步，可穿戴設備的未來必將朝著低功耗、智能交互、微集成、柔性電子和大數(shù)據(jù)處理等方面發(fā)展，從而形成更為完整的生態(tài)系統(tǒng)[28]。在硬件方面，低功耗和高集成是其發(fā)展方向，以進一步研制多形式的可穿戴設備，如植入式穿戴設備等；在載體方面，具有傳導性的織物是其未來方向[29]，不僅更舒適實用，更為重要的是傳統(tǒng)衣服與穿戴設備完美結合使得穿戴者更容易接受；在續(xù)航方面，要繼續(xù)著重于研究高性能的電池技術如柔性鋰電池等，以滿足長時間續(xù)航的需要[30,31]。雖然可穿戴設備的發(fā)展迅速，但就目前而言，縱觀國內外尚未產生統(tǒng)一的分類、評定等行業(yè)標準和國際標準，無法衡量和指導其未來的發(fā)展走向[32]。在軟件方面，其軟件系統(tǒng)的封閉性也應被打破[33]，在方便操作和保障個人信息安全的同時，進一步促進可穿戴設備的發(fā)展與進步。

綜上，隨著各項技術的發(fā)展及其量產化，可穿戴設備在不遠的將來必然能夠在醫(yī)療健康領域發(fā)揮其更大的作用，為人們提供更多更加有效的服務。隨著人們健康意識的逐步強化，可穿戴設備也必然符合人們對于健康監(jiān)測等方面的需求，未來必然會更多地融入到人們的生活。

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