基于柔性傳感器的可穿戴設(shè)備在康復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

張廣舉

【摘 ?要】目前可穿戴設(shè)備使用的傳感器主要有慣性傳感器、kinect傳感器，但慣性傳感器多為延展性差的剛性材料制作，以它為核心的可穿戴設(shè)備具有舒適性差、檢測精度受運(yùn)動速度影響等缺點(diǎn);基于kinect傳感器的設(shè)備雖然準(zhǔn)確性高，但其體積大，使用范圍僅局限在特定的空間且價格高昂，不適用于日常穿戴及實(shí)時監(jiān)測。柔性材料指具有良好延展性且延展過程中不失去性能的材料，柔性傳感器是以柔性材料為核心原料制成的新型傳感器，具有輕便、穿戴舒適、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，基于柔性傳感器的可穿戴設(shè)備有望彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)備的不足并廣泛應(yīng)用于臨床。本研究目的是闡述基于柔性傳感器的可穿戴設(shè)備在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的研究進(jìn)展，為未來臨床的應(yīng)用和推廣提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】柔性傳感器;可穿戴設(shè)備;康復(fù)

1 柔性可穿戴設(shè)備在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1.1 健康監(jiān)測

1.1.1 生命體征監(jiān)測

目前可穿戴設(shè)備對生命體征的測量主要依靠光電、光化學(xué)轉(zhuǎn)換，這些設(shè)備雖然可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時移動測量，但價格較高且長期佩戴可能會引起不適，精確性、敏感性方面也有所欠缺。目前已有不少文獻(xiàn)報道柔性可穿戴設(shè)備有更出色的性能和舒適性：如在柔性基底上加入褶皺金薄膜制作了柔性傳感器，基于該傳感器的可穿戴設(shè)備可以監(jiān)測橈動脈血壓且反應(yīng)靈敏，有潛力用作動態(tài)血壓監(jiān)測;在此基礎(chǔ)上，用還原石墨烯為主要材料制備出柔性多模傳感器，基于該傳感器的可穿戴設(shè)備可以同時對呼吸和脈搏進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)功能上合二為一，精簡了穿戴數(shù)量。

1.1.2 血糖、乳酸、電解質(zhì)監(jiān)測

血糖監(jiān)測對于糖尿病患者而言至關(guān)重要。目前，應(yīng)用最廣泛的血糖測量方式是手指穿刺，這種方法為有創(chuàng)檢查，會增加糖尿病患者感染風(fēng)險。為了提高血糖監(jiān)測的安全性，科研人員正在研發(fā)一種基于柔性傳感器的無創(chuàng)血糖監(jiān)測方法。將石墨烯與金網(wǎng)結(jié)合，制造出1個可穿戴的柔性貼片，該貼片內(nèi)部為電化學(xué)探針，可以分析汗液的含糖量，再利用汗液糖量與血糖的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)而分析血糖。除此之外，該貼片可以通過熱驅(qū)動來釋放二甲雙胍，降低糖尿病患者的血糖水平，該裝置在動物實(shí)驗(yàn)中已被證明有效。為了獲得更準(zhǔn)確的血糖監(jiān)測結(jié)果，使用碳納米管、Agcl金屬電極制作了類似功能的柔性皮膚貼片，該貼片在分析汗液含糖量的同時分析汗液中的乳酸并記錄體溫，然后利用這2個指標(biāo)對汗液含糖量進(jìn)行矯正，從而得到更準(zhǔn)確的血糖水平。

1.1.3 生物電監(jiān)測

心電、肌電、腦電等生物電信號能夠提供豐富的生理信息，可用于疾病診斷和治療效果的評估，但傳統(tǒng)的檢查方式步驟復(fù)雜、舒適性差、易受運(yùn)動偽影影響。柔性可穿戴設(shè)備的應(yīng)用可以簡化檢查步驟并提升檢查舒適性、精確性。為了提升檢測過程中的穩(wěn)定性與舒適性，將電極集成于柔性紡織式傳感器中，并用其替代傳統(tǒng)粘貼性電極，保證了心電圖測量過程中的舒適性，不僅如此，使用該設(shè)備在轉(zhuǎn)身、行走過程中測量未發(fā)現(xiàn)明顯的運(yùn)動偽影，表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。使用納米材料制作的柔性電極也有同樣的效果。將電極集成在用納米金屬材料制成的柔性傳感器中，基于該傳感器的設(shè)備具有良好的生物兼容性、精確性，可以無線獲取腦電圖，并根據(jù)腦電圖圖像區(qū)分老年癡呆癥患者和健康人群，從而為快速診斷及評估老年癡呆癥提供了可能。

1.2 運(yùn)動監(jiān)測

1.2.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動監(jiān)測

人體姿態(tài)和運(yùn)動分析在康復(fù)醫(yī)學(xué)中具有重要意義。然而，如何研制出輕便舒適并能準(zhǔn)確捕捉人體運(yùn)動的可穿戴設(shè)備仍是一個難題，柔性可穿戴設(shè)備的研發(fā)為解決上述問題提供了新的可能性?？纱┐髟O(shè)備對不同部位的運(yùn)動監(jiān)測包括：（1）小關(guān)節(jié)精細(xì)運(yùn)動如腕、指間關(guān)節(jié)等;（2）大關(guān)節(jié)大幅度運(yùn)動如膝、踝關(guān)節(jié)等。將液態(tài)金屬共晶鎵銦（EGa In）嵌入波狀微通道彈性體基體中，制造了一種微流控柔性傳感器，它具有高靈敏度和分辨率的特點(diǎn)，基于該傳感器的可穿戴設(shè)備可以監(jiān)測到低至0.09%的微形變?nèi)缡滞蟆⑹种傅刃￡P(guān)節(jié)的精細(xì)運(yùn)動。將工作重心放在大關(guān)節(jié)監(jiān)測，他們認(rèn)為有運(yùn)動障礙的患者在進(jìn)行運(yùn)動康復(fù)過程中有一定危險性，因此他們將柔性傳感器與紡織品結(jié)合做成有保護(hù)膝、踝關(guān)節(jié)作用的可穿戴設(shè)備，這一設(shè)計將傳感器和護(hù)具結(jié)合起來，既有保護(hù)、支撐關(guān)節(jié)的作用，又有監(jiān)測關(guān)節(jié)運(yùn)動的作用。

1.2.2 步態(tài)監(jiān)測

步態(tài)異常是康復(fù)領(lǐng)域中很常見的一種功能障礙，如卒中后的偏癱步態(tài)、帕金森病的慌張步態(tài)等。步態(tài)監(jiān)測不僅是一種有效的診斷手段，而且是對病情嚴(yán)重程度的有效評估手段。傳統(tǒng)的步態(tài)分析往往靠肉眼觀察，主觀性較強(qiáng)。柔性可穿戴設(shè)備可以將步態(tài)量化并分析，使結(jié)果更具客觀性和真實(shí)性。將柔性壓電傳感器和服裝結(jié)合的步態(tài)識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)將柔性傳感器嵌入服裝中，不僅步態(tài)識別效果良好，同時還可以對站立和坐下姿勢進(jìn)行區(qū)分;將導(dǎo)電橡膠和柔性基板組裝成壓敏鞋墊，該鞋墊將步態(tài)信號傳遞給計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)步態(tài)分析并能準(zhǔn)確地將不同步態(tài)區(qū)分開來。從這2個例子可以看出，柔性可穿戴設(shè)備憑借其延展性良好的特性，將穿戴形式進(jìn)行了創(chuàng)新，可穿戴設(shè)備不僅可以是手環(huán)、手表，也可以是鞋墊、衣服。

1.3 吞咽言語監(jiān)測

吞咽障礙的康復(fù)離不開反復(fù)的吞咽肌訓(xùn)練及訓(xùn)練后的吞咽功能評估。目前臨床上使用的吞咽功能評估金標(biāo)準(zhǔn)是吞咽造影，吞咽造影不僅收費(fèi)高昂，而且會對患者產(chǎn)生輻射，故而不適合將其作為吞咽功能的常規(guī)評定手段。柔性可穿戴設(shè)備的研發(fā)使無創(chuàng)準(zhǔn)確地評估吞咽功能成為可能。

1.4 居家康復(fù)

受住院成本、醫(yī)院床位、康復(fù)周期等諸多因素的影響，患者的康復(fù)由醫(yī)院逐漸向社區(qū)和家庭延伸。所以居家康復(fù)對于整個康復(fù)過程至關(guān)重要，可穿戴設(shè)備則是居家康復(fù)中不可缺少的一環(huán)。柔性可穿戴設(shè)備不僅佩戴舒適，而且還可以同時指導(dǎo)患者進(jìn)行簡單的康復(fù)治療。

2 小結(jié)與展望

基于柔性傳感器的可穿戴設(shè)備具有輕便、舒適、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備，并被臨床廣泛應(yīng)用，其在臨床的應(yīng)用場景主要包括健康監(jiān)測、運(yùn)動監(jiān)測、吞咽言語監(jiān)測、居家康復(fù)、跌倒預(yù)警、智能康復(fù)6個方面。在健康監(jiān)測方面其優(yōu)勢在于監(jiān)測數(shù)據(jù)種類多樣化;運(yùn)動監(jiān)測、吞咽言語監(jiān)測方面其優(yōu)勢在于高精確度與輕便舒適;居家康復(fù)、跌倒預(yù)警則需要多學(xué)科合作實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析傳輸?shù)耐交?智能康復(fù)方面則主要利用了柔性材料的高延展性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動意圖識別與感覺的模擬與傳輸。雖然在過去數(shù)年中，基于柔性傳感器的可穿戴設(shè)備取得了不錯的研究進(jìn)展，但同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)：（1）柔性材料本身存在不可避免的共性問題———蠕變特性，即在應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象，這說明柔性傳感器可能存在耐久性不高的問題;（2）高精確度與大檢測范圍的矛盾;（3）在保證舒適性的基礎(chǔ)上，設(shè)備與皮膚的錨定性難以保證，在大幅度運(yùn)動時設(shè)備可能出現(xiàn)貼合度欠佳從而出現(xiàn)測量精確度下降等問題;（4）續(xù)航性差：隨著可穿戴設(shè)備的輕便化，其電源也需要變得越來越小、能量密度越來越高，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)很難滿足需求;（5）成本較高。因此，對于柔性可穿戴設(shè)備的研究仍任重而道遠(yuǎn)，未來的關(guān)注點(diǎn)可聚焦于材料創(chuàng)新與自供電系統(tǒng)的研發(fā)上，爭取早日實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：河南羲辰信息科技有限公司）