基于柔性傳感器的可穿戴設備在康復領域中的應用

何子俊，曾 慶，鞏 澤，陳 蓉，曲 航，李士林，路鵬程，鄒積華，2，黃國志，2*

1南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院康復醫(yī)學科，廣東 廣州510280；

2南方醫(yī)科大學康復醫(yī)學院，廣東 廣州510280

可穿戴設備又稱為可穿戴式計算機，它是一種可以佩戴在身體上并能傳遞數(shù)據(jù)的計算機設備，可穿戴設備在康復醫(yī)學領域應用廣泛，如生命體征監(jiān)測［1］、身體姿勢監(jiān)測［2-3］、運動監(jiān)測［4］等，其運用的核心技術包括傳感技術、云計算技術等［5］，其中傳感技術的實現(xiàn)載體為傳感器，傳感器是一種能檢測并傳遞信息的裝置，能夠把待測信息按一定規(guī)律轉換成電信號輸出［6］?？纱┐髟O備多種功能的實現(xiàn)均依賴于傳感器對身體狀態(tài)的記錄，可見傳感器是可穿戴設備的技術核心。目前可穿戴設備使用的傳感器主要有慣性傳感器［7］、kinect傳感器［8］，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備具有舒適性差、檢測精度受運動速度影響等缺點［9］；基于kinect傳感器的設備雖然準確性高，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時監(jiān)測［4］。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，基于柔性傳感器的可穿戴設備有望彌補傳統(tǒng)設備的不足并廣泛應用于臨床。本研究目的是闡述基于柔性傳感器的可穿戴設備在康復醫(yī)學中的研究進展，為未來臨床的應用和推廣提供理論基礎。

1 柔性可穿戴設備的原理及分類

柔性可穿戴設備的核心部件是柔性傳感器，柔性傳感器的原理是將外部形變信號轉化為電信號［10］，根據(jù)信號轉化方式可將柔性可穿戴設備分為壓阻式、電容式、壓電式。壓阻式的信號轉換機制是將形變信號轉化為電阻的改變：根據(jù)電阻的計算公式：R＝ρL／S［10］，其中ρ為電阻率，L為電阻長度，S為橫截面積。當設備形變時，L、S改變造成電阻改變；壓阻式的優(yōu)點是靈敏度高，制備工藝簡單，缺點是信號滯后，精度受溫度影響大，常用于大幅度運動監(jiān)測，如關節(jié)活動等［11］。電容式由平行板電容器組成，其電容計算公式為：C＝εA／d［12］，其中ε為介電常數(shù)，A為平行板面積，d為兩板間距。當設備形變時A、d發(fā)生變化使電容變化；電容式的優(yōu)點是精確度高，監(jiān)測范圍廣，缺點是易受外場干擾［13］，常被用于精細運動監(jiān)測，如吞咽、發(fā)音時聲帶振動［14］。壓電式由具有壓電效應的材料構成，當受到外部壓力時，材料內(nèi)部電子向兩級遷移，形成帶有一定電壓的內(nèi)部電場，其優(yōu)點是能夠對應變作出快速響應，適合監(jiān)測動態(tài)變化的信號如心率、呼吸等，缺點是應變性較其余二者差，佩戴舒適性較差［6］。見圖1［15］。

圖1 柔性可穿戴設備3種不同信號轉換機制示意圖Figure 1 Schematic diagram of 3 different signal conversion mechanisms for flexible wearable devices

2 柔性可穿戴設備在康復醫(yī)學中的應用

2.1 健康監(jiān)測

康復醫(yī)學科的患者以老年居多且大多合并慢性代謝病，如高血壓、糖尿病、高血脂等［16］。所以慢病管理對于康復醫(yī)學而言十分重要。最為有效的管理手段就是定期對身體數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并且根據(jù)監(jiān)測結果調(diào)整用藥。最傳統(tǒng)的監(jiān)測方式是在社區(qū)醫(yī)院進行監(jiān)測，這種方式費時、費力，不利于患者長期堅持。近年來，隨著可穿戴設備的發(fā)展與應用，血壓、心率、血氧這種易測的生理指標已經(jīng)能夠實現(xiàn)患者隨時隨地自主檢測，但目前的可穿戴設備存在佩戴舒適性差、測量指標少等問題。柔性傳感器的研制有望讓可穿戴設備在更加舒適輕便的同時監(jiān)測更多生理數(shù)據(jù)。

2.1.1 生命體征監(jiān)測 目前可穿戴設備對生命體征的測量主要依靠光電、光化學轉換，這些設備雖然可以實現(xiàn)實時移動測量，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。目前已有不少文獻報道柔性可穿戴設備有更出色的性能和舒適性：如KIM等［17］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備可以監(jiān)測橈動脈血壓且反應靈敏，有潛力用作動態(tài)血壓監(jiān)測；在此基礎上，LIU等［18］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備可以同時對呼吸和脈搏進行監(jiān)測，實現(xiàn)功能上合二為一，精簡了穿戴數(shù)量。在實際應用過程中，設備的工作環(huán)境往往不是單一的，出于實用性的考慮，MANDAL等［19］以納米晶作為介電系統(tǒng)，以高柔性的厚聚對苯二甲酸乙二醇酯作為襯底，制備了在水下、不同pH值中均具有高穩(wěn)定性的柔性傳感器，基于該傳感器的可穿戴設備可以在各種極端環(huán)境下監(jiān)測體溫。除去對環(huán)境的適應性，傳感器的美觀性也至關重要，在日常生活中長期佩戴引人注目的醫(yī)療器具會讓患者產(chǎn)生恥感。為了解決這個問題，WANG等［20］開發(fā)了一種貼片式柔性可穿戴設備，該貼片具有輕薄、透明的特點，在舒適的同時，出色的“隱形”能力不會給患者的日常生活帶來壓力，除此之外，該儀器在柔性傳感基底上集成了小型光學傳感器，能夠監(jiān)測血氧、血壓，并有不錯的精確度。

2.1.2 血糖、乳酸、電解質監(jiān)測 血糖監(jiān)測對于糖尿病患者而言至關重要。目前，應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。LEE等［21］將石墨烯與金網(wǎng)結合，制造出1個可穿戴的柔性貼片，該貼片內(nèi)部為電化學探針，可以分析汗液的含糖量，再利用汗液糖量與血糖的對應關系進而分析血糖。除此之外，該貼片可以通過熱驅動來釋放二甲雙胍，降低糖尿病患者的血糖水平，該裝置在動物實驗中已被證明有效。為了獲得更準確的血糖監(jiān)測結果，WIOREK等［22］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個指標對汗液含糖量進行矯正，從而得到更準確的血糖水平。在測量血糖的基礎上，越來越多的生化指標也可以被同時測量，如EMAMINEJAD等［23］和GAO等［24］的團隊設計了一種集成有電化學探針的柔性傳感器，基于該傳感器的可穿戴設備能夠同時測量汗液代謝物（乳酸和葡萄糖）、汗液電解質（Na+和K+）以及皮膚溫度。

2.1.3 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)的檢查方式步驟復雜、舒適性差、易受運動偽影影響。柔性可穿戴設備的應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，CHEN等［25］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，使用該設備在轉身、行走過程中測量未發(fā)現(xiàn)明顯的運動偽影，表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。MYERS等［26］使用納米材料制作的柔性電極也有同樣的效果。ARAKI等［27］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。

2.2 運動監(jiān)測

2.2.1 關節(jié)運動監(jiān)測 人體姿態(tài)和運動分析在康復醫(yī)學中具有重要意義。然而，如何研制出輕便舒適并能準確捕捉人體運動的可穿戴設備仍是一個難題，柔性可穿戴設備的研發(fā)為解決上述問題提供了新的可能性?？纱┐髟O備對不同部位的運動監(jiān)測包括：①小關節(jié)精細運動如腕、指間關節(jié)等；②大關節(jié)大幅度運動如膝、踝關節(jié)等。CHEN等［28］將液態(tài)金屬共晶鎵銦（EGaIn）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，基于該傳感器的可穿戴設備可以監(jiān)測到低至0.09%的微形變?nèi)缡滞?、手指等小關節(jié)的精細運動。ZHANG等［29］和WANG等［30］的團隊用導電海綿制作的柔性可穿戴設備也有類似的功能。TOTARO等［31］將工作重心放在大關節(jié)監(jiān)測，他們認為有運動障礙的患者在進行運動康復過程中有一定危險性，因此他們將柔性傳感器與紡織品結合做成有保護膝、踝關節(jié)作用的可穿戴設備，這一設計將傳感器和護具結合起來，既有保護、支撐關節(jié)的作用，又有監(jiān)測關節(jié)運動的作用。

2.2.2 步態(tài)監(jiān)測 步態(tài)異常是康復領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。柔性可穿戴設備可以將步態(tài)量化并分析，使結果更具客觀性和真實性。如CHA等［32］介紹了一種將柔性壓電傳感器和服裝結合的步態(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行區(qū)分；HENG等［33］將導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，實現(xiàn)步態(tài)分析并能準確地將不同步態(tài)區(qū)分開來。從這2個例子可以看出，柔性可穿戴設備憑借其延展性良好的特性，將穿戴形式進行了創(chuàng)新，可穿戴設備不僅可以是手環(huán)、手表，也可以是鞋墊、衣服。

2.3 吞咽言語監(jiān)測

吞咽障礙的康復離不開反復的吞咽肌訓練及訓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準是吞咽造影，吞咽造影不僅收費高昂，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。柔性可穿戴設備的研發(fā)使無創(chuàng)準確地評估吞咽功能成為可能。RAMíREZ等［34］介紹了一種由鈀納米島構成的柔性應變傳感器，基于該傳感器的設備可以無創(chuàng)評估吞咽功能，為了驗證該設備在吞咽監(jiān)測中的效果，將該設備和表面肌電圖在正常人和吞咽困難患者上的檢查結果作對比，結果發(fā)現(xiàn)，柔性可穿戴設備和表面肌電圖均能監(jiān)測吞咽功能，但前者對吞咽肌舒張過程有更好的敏感性。IIZUKA等［35］制作了小型壓電柔性傳感器，將5個傳感器以3.0 mm的間隔排列在一起，并嵌入在1個手掌大小的聚氨酯樹脂片的中間，該設備可以測量吞咽速度，從而對吞咽困難程度進行量化。在喉頸部監(jiān)測中，除去吞咽，言語功能監(jiān)測也十分重要，但發(fā)聲時引起的聲帶振動較為微弱，常規(guī)檢測方法很難將其檢測到。SHI等［36］以聚乙烯醇制備的柔性可穿戴設備具有很好的靈敏度，它可用通過聲帶振動差異識別不同單詞的發(fā)音。

2.4 居家康復

受住院成本、醫(yī)院床位、康復周期等諸多因素的影響，患者的康復由醫(yī)院逐漸向社區(qū)和家庭延伸。所以居家康復對于整個康復過程至關重要，可穿戴設備則是居家康復中不可缺少的一環(huán)。柔性可穿戴設備不僅佩戴舒適，而且還可以同時指導患者進行簡單的康復治療。如HU等［37］利用普通織物和導電紗線研制了一種用于膝關節(jié)運動測量的新型柔性織物傳感器，基于該傳感器的設備采用電子測角儀作為標準參考，對設備進行標定，并驗證其精度，經(jīng)過測試，該設備可用于訓練中膝關節(jié)運動幅度監(jiān)測，再配上良好的人機交互界面，形成生物反饋機制，督促患者自行或在家人協(xié)助下高質量地完成每一次動作，即便在家也能有不錯的康復效果。KIM等［38］研制出一套吞咽訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由柔性可穿戴貼片及1個顯示器組成，將該貼片置于下頜處，吞咽時便可記錄吞咽肌活動，并在顯示器中反饋出吞咽狀態(tài)，并指導進一步吞咽訓練。

2.5 跌倒預警

我國60歲以上老人跌倒發(fā)生率高達15%～30%［39］，跌倒后發(fā)生股骨頭骨折、腦出血等致命創(chuàng)傷的風險較大，若得不到及時救治則死亡風險高。利用柔性可穿戴設備配合自動報警系統(tǒng)有助于縮短患者就診時間，降低死亡風險。如CHANDER等［40］將4個傳感器分別放于踝關節(jié)的內(nèi)外前后部監(jiān)測踝運動情況，第5個傳感器放于足底監(jiān)測足底壓力變化，這套傳感系統(tǒng)可以監(jiān)測踝關節(jié)穩(wěn)定性，當患者摔倒時5個傳感器均會監(jiān)測到特殊信號，系統(tǒng)收到特殊信號就會自動報警。CHANDER等［40］同樣研制出基于柔性可穿戴設備的腳踝監(jiān)測系統(tǒng)，并將其與3D運動捕捉系統(tǒng)進行對比，發(fā)現(xiàn)該設備具有較高的準確度。

2.6 智能康復

2.6.1 人機交互 康復機器人是康復治療智能化的產(chǎn)物，該技術已經(jīng)發(fā)展了幾十年，取得了令人矚目的進展［41］。但其臨床應用并不廣泛，造成這一問題的原因之一是設備所采用的運動意圖識別機制尚不成熟［42］，導致在實際應用中信號轉化不穩(wěn)定。目前主流的運動意圖識別方式是收集肌肉表面的肌電信號并提取信號特征值，對特征值綜合分析后得到肌電信號下蘊藏的運動意圖［43］。肌電信號不僅蘊藏著豐富的運動意圖，并且信號收集過程是無創(chuàng)的，通過電極便可輕易收集，故而肌電信號得到了廣泛的應用。但其不足是容易受到各種混雜信號干擾，如電力線噪聲和運動偽影將不可避免地降低運動意圖識別精度。為了解決這個問題，HUANG等［42］利用納米金制作出柔性傳感器，通過檢測肌肉形變來識別運動意圖，獲得了不錯的準確率，為康復機器人人機交互提供了新的思路。在此基礎上，LI等［44］將多個柔性傳感器集成在針織物中，該設備能夠收集形變信號并轉化為具有動作特征的電信號，不僅可以識別不同的運動意圖，而且與人接觸的部分是針織物，能有效提升用戶舒適性。

2.6.2 電子皮膚 電子皮膚又稱新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感設備，其結構簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在如假體、機器人肢體等現(xiàn)代化設備表面，是一種可以讓設備產(chǎn)生并傳導感覺的裝置。電子皮膚在康復領域的應用主要為將其安裝在截肢患者的假肢上，使假肢不僅有運動替代功能，還有感覺傳輸功能，如WAN等［45］研制出的柔性電子皮膚就是將柔性鐵駐極體納米發(fā)電機作為機械感受器，產(chǎn)生動作電位，再由人工突觸處理并傳遞至中樞，從而實現(xiàn)溫覺、觸覺的傳遞；SHIT等［46］研制出一種自供電式柔性電子皮膚，其在功能上并無特殊，但該設備能通過自供電傳感裝置從室外陽光中獲取光能，并將光能用于動作電位的生成和傳遞，具有不錯的續(xù)航能力。

3 小結與展望

基于柔性傳感器的可穿戴設備具有輕便、舒適、應用范圍廣等特點，有望取代傳統(tǒng)可穿戴設備，并被臨床廣泛應用，其在臨床的應用場景主要包括健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、吞咽言語監(jiān)測、居家康復、跌倒預警、智能康復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、跌倒預警則需要多學科合作實現(xiàn)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析傳輸?shù)耐交?；智能康復方面則主要利用了柔性材料的高延展性，實現(xiàn)運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備取得了不錯的研究進展，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，即在應力不變的條件下，應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上，設備與皮膚的錨定性難以保證，在大幅度運動時設備可能出現(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，對于柔性可穿戴設備的研究仍任重而道遠，未來的關注點可聚焦于材料創(chuàng)新與自供電系統(tǒng)的研發(fā)上，爭取早日實現(xiàn)臨床應用。