氣囊式防摔倒智能服裝降低老年人跌傷風(fēng)險的研究分析

鄔佳妮，周冬梅，胡鉅濤，陳紅霞，施 宇

（上海健康醫(yī)學(xué)院，上海201318）

隨著人們生活質(zhì)量和健康水平持續(xù)提高，社會經(jīng)濟(jì)以及醫(yī)療保健事業(yè)前進(jìn)上升，人類的平均壽命在逐漸延長，老年人口不斷增多是必然趨勢。截至2018年，中國65歲及以上人口規(guī)模為16 658萬人，占11.9%，老年人口數(shù)量世界排名處于首位，相比1953年，增加了將近6倍[1]。跌倒是指人受到外力的沖擊或自身平衡力的失調(diào)，打破了人體下肢步態(tài)的運動頻率，導(dǎo)致軀干出現(xiàn)突發(fā)、不自主的、非故意的體位改變，摔倒在地上或更低的平面上的現(xiàn)象[2]。

中國60歲以上老年人意外傷害的首要因素為跌落，占比為59.92%[3]。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查[4]顯示，跌倒是全球老年人面臨的主要健康問題，跌傷是世界各地意外或非故意傷害死亡的第二大原因，在致命的跌傷中，65歲以上的老年人所占比例最大。跌倒是造成老人骨折的主要原因[5]，雖然骨折本身不一定威脅老人的生命，但老人在受傷后活動能力下降并長期臥床，易發(fā)生肺炎、壓瘡和靜脈炎等嚴(yán)重并發(fā)癥，死亡率較一般骨折者高。氣囊式防摔倒智能服裝主要通過彈出的氣囊形成緩沖對老年人起到保護(hù)作用而減輕跌倒損傷。本文主要采用分析法，將從防摔服的設(shè)計使用、原理結(jié)構(gòu)等方面來分析其降低老年人跌倒受傷風(fēng)險的能力。

1 氣囊式防摔倒智能服裝的設(shè)計

1.1 氣囊式防摔倒智能服裝應(yīng)具備的基本結(jié)構(gòu)

氣囊式防摔倒智能服裝的主要部分為氣囊裝置。氣囊裝置的基本作用機(jī)理是在感知到危險時，氣瓶內(nèi)的氣體迅速釋放，充滿氣囊，氣體形成的保護(hù)區(qū)增加了緩沖面積，減少了跌倒碰撞所帶來的沖擊力，以此來保護(hù)使用者。

1.1.1 氣囊的充氣裝置

氣囊充氣分為人工充氣和自動充氣兩種，人工充氣顧名思義是需要人為吹氣或者通過充氣管注入空氣；自動充氣則是內(nèi)置高壓氣瓶，需要時釋放對氣囊進(jìn)行充氣。有學(xué)者曾通過高速動態(tài)記錄儀測量模擬人體跌倒所發(fā)生的時間，該過程大概需要0.8 s[6]。法國Helite公司所研發(fā)的HELITE Hip Air防摔氣囊可以在0.2 s內(nèi)檢測到跌倒的發(fā)生，在80 ms內(nèi)完成充氣過程。日本Prop公司發(fā)明了一種能防止老年人摔倒后受傷的安全氣袋[7]，這種氣袋測出使用者正在朝地面加速傾倒的話，就會在1/10 s的時間內(nèi)充氣。國內(nèi)蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司所生產(chǎn)制造的老仁“不怕摔”智能防摔氣囊在檢測到跌倒這一行為后，能在0.18 s內(nèi)迅速打開氣囊起到保護(hù)作用，打開的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于人體跌倒所需要的時間。

1.1.2 氣囊的啟動裝置

氣囊的啟動裝置包括手動和自動啟動，手動啟動需要人為打開啟動充氣閥，釋放微型高壓氣瓶氣體實現(xiàn)防護(hù)功能，這種設(shè)置一般應(yīng)用于救援類服裝。自動啟動則是安全氣囊傳感器接收撞擊信號，只要達(dá)到特定的強(qiáng)度，傳感器即產(chǎn)生動作并向電子控制器發(fā)出信號，氣瓶立即釋放氣體進(jìn)行充氣。中國廣州市信安智囊科技有限公司所生產(chǎn)的老人防摔氣囊腰帶就是使用了One-PieceWoven（OPW）囊袋織造技術(shù)，內(nèi)置惰性壓縮氣瓶，落地時自動感應(yīng)釋放氣瓶進(jìn)行充氣。

1.1.3 體征監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

體征監(jiān)測系統(tǒng)主要是對穿著者的呼吸、心跳、脈搏、體溫等生命體征進(jìn)行實時監(jiān)測，可以隨時查看老年人的身體健康狀態(tài)，記錄身體各項數(shù)據(jù)，指標(biāo)不正常時自動預(yù)警?，F(xiàn)如今主要基于Micro-Electro-Mechanical System（MEMS）慣性傳感器[8]來實現(xiàn)的可穿戴式傳感技術(shù)比較常見。MEMS也就是微機(jī)電系統(tǒng)，指尺寸為幾毫米或更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為微米甚至納米量級，是獨立的智能系統(tǒng)。市場上的許多品牌防摔服都利用了可穿戴傳感技術(shù)，它可以起到實時身體監(jiān)測作用，確保在使用者發(fā)生意外情況時及時預(yù)警，發(fā)出求救。蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司所研發(fā)的老仁“不怕摔”智能防摔氣囊，配備可穿戴設(shè)備，并配有手機(jī)APP軟件遠(yuǎn)程連接支持，提供預(yù)警、健康數(shù)據(jù)顯示等功能。

1.1.4 跌倒檢測系統(tǒng)

已有的跌倒檢測方案大致分為基于視頻、聲學(xué)等人體周圍環(huán)境信息和基于穿戴式的跌倒檢測[9]?；谝曨l、聲學(xué)等人體周圍環(huán)境信息的檢測包括基于視頻的圖像傳感器、基于音頻的聲音傳感器、基于無線和電磁波的傳感器。穿戴式的跌倒檢測主要是通過佩戴小的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，包括慣性傳感器、基于加速度傳感器、基于傾角傳感器、基于壓力傳感器和多傳感器并存?？纱┐魇降牡箼z測系統(tǒng)是目前研究的主要趨勢[10]，加速度傳感器通過佩戴于穿著者身上來獲取人體的運動狀態(tài)，這是目前比較常用的跌倒檢測方式。日本早稻田大學(xué)的TOSHIYOT等人[11]在2011年開發(fā)出一種可穿戴式安全氣囊，其跌倒檢測系統(tǒng)以加速度和角速度信號作為氣囊觸發(fā)器信號，能在跌倒前300 ms觸發(fā)氣囊膨脹。

1.1.5 服裝材質(zhì)

氣囊式防摔倒智能服裝的材料結(jié)構(gòu)大致分為核心緩沖材質(zhì)和表層材料。緩沖層材質(zhì)主要用于吸收外部沖擊力量，形成緩沖，降低或者分流壓力。如今可用于吸收能量起緩沖作用的材質(zhì)主要包括硬質(zhì)分流型、軟質(zhì)吸能型、硬-軟組合型防護(hù)三種[12]。其中防護(hù)性能最為理想的是硬-軟組合型材質(zhì)，其外層為硬殼，軟質(zhì)內(nèi)層，可以分流作用壓力保護(hù)骨骼。國外就曾有學(xué)者利用此結(jié)構(gòu)制成髖骨保護(hù)器[13]，外部采用剛硬材質(zhì)，內(nèi)層采用的柔軟聚氨酯材料可以降低將近75%的外部沖擊力。軟質(zhì)結(jié)構(gòu)材料吸能也相對比較常見，如使用質(zhì)地較軟的聚乙烯材質(zhì)，它具有優(yōu)良的耐低溫性能且化學(xué)穩(wěn)定性好，減少沖擊所產(chǎn)生的碰撞力。而硬質(zhì)分流就相對沒有那么主流，其不僅舒適性差、柔韌性差，也不利于在日常生活中使用，因此國內(nèi)相關(guān)研究較少。此外，因為是防摔類服裝，其表層材料的耐磨性顯得格外重要，例如尼龍、牛津布、合成纖維等這種耐磨材料就比較適合。

1.2 氣囊式防摔倒智能服裝的穿著情景

此類產(chǎn)品適用于日常生活，對老年人時刻起到保護(hù)和降低跌倒受傷風(fēng)險作用。因為相對于其他人群，老年人常會伴有一些老年綜合征，包括老年性骨質(zhì)疏松、日常活動能力下降等，還有一些帶有一些基礎(chǔ)性疾病，可能發(fā)生意外跌傷。有需要的康復(fù)機(jī)構(gòu)、手術(shù)后處于恢復(fù)期的易摔人群也可使用。馬術(shù)、摩托車職業(yè)選手等也常使用氣囊防摔服來保證安全。

2 氣囊式防摔倒智能服裝的作用

2.1 髖部防護(hù)結(jié)構(gòu)

髖部的常見骨折類型主要包括股骨頸骨折、股骨粗隆間骨折和盆骨骨折。就股骨頸骨折而言，不同部位損傷造成的骨折嚴(yán)重程度也不盡相同。通常情況下股骨頸骨折線部位越高，對于股骨頭血運的破環(huán)就越嚴(yán)重，發(fā)生缺血壞死的可能性就越高。因此，防摔服的結(jié)構(gòu)要求髖部需緊貼股骨頸、股骨大轉(zhuǎn)子部位，緊貼大腿保護(hù)，這樣很大程度上有利于減少風(fēng)險。目前，業(yè)內(nèi)公認(rèn)馬蹄形髖關(guān)節(jié)保護(hù)器對該部位保護(hù)效果最好。法國Helite公司所研發(fā)的HELITEHip Air穿戴式安全氣囊是一款專門針對老年人的氣囊防摔服裝產(chǎn)品[14]，此款產(chǎn)品主要以保護(hù)臀部為主，它的兩邊都設(shè)計為類似于馬蹄形的水滴形狀。該產(chǎn)品的運算系統(tǒng)使用不同類型的傳感器，如陀螺儀和加速計來計算各種環(huán)境中的運動，當(dāng)?shù)拱l(fā)生時臀部的安全氣囊能在短時間內(nèi)檢測到下降，并完成自動充氣膨脹，起到保護(hù)作用。有學(xué)者曾設(shè)計了一款可穿戴式安全氣囊并做了相關(guān)實驗，據(jù)實驗結(jié)果顯示[15]，比起不穿氣囊防護(hù)裝備，穿上緩沖安全氣囊的防護(hù)裝備時，髖骨所受到的沖擊力減少了70%，峰值壓力降低為3.32 kN，能量吸收減少了83.8%。髖骨骨折時由于吸收了超過其所能承受的最大范圍的能量，而氣囊可以吸收一部分作用于髖骨的能量，從而降低損傷，也證明了氣囊對于髖骨的防護(hù)作用。

2.2 胸腰椎防護(hù)結(jié)構(gòu)

跌倒時由于重力不穩(wěn)，人后傾時常常會導(dǎo)致胸腰椎骨折，跌倒是導(dǎo)致胸腰椎骨折的主要因素。胸腰椎骨折好發(fā)于T11～L2椎體，骨折類型以爆裂性骨折為主。老年人身體機(jī)能衰退，其椎間盤的含水量急劇下降，髓核發(fā)生退變，因而負(fù)荷緩沖和負(fù)荷承載能力降低，椎間盤的退變造成了椎體骨皮質(zhì)應(yīng)力載荷增加，這是導(dǎo)致老年人胸腰椎好發(fā)骨折的重要原因[16]。脊柱受到壓縮力、屈曲力等暴力壓迫椎骨，導(dǎo)致骨折。椎骨周圍的肌肉軟組織有一定緩沖作用，但由于摔倒碰撞時沖擊力過大，僅依靠肌肉組織來保護(hù)骨骼是不夠的[17]。防摔服的背部采用貼合材料設(shè)計，增加緩沖面積，可以起到分流沖力、碰撞力的作用。有研究表明[18]，胸部變形量是評判胸部損傷的有效指標(biāo)。碰撞過程中由于某個部位的急速集中受力導(dǎo)致了損傷的發(fā)生，為了減少碰撞的沖擊力，需使用氣囊等防護(hù)材料對骨骼進(jìn)行防護(hù)。意大利Dainese品牌旗下的D-air氣囊系統(tǒng)，契合了人體工學(xué)設(shè)計，發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)會在極短的時間內(nèi)在騎手的鎖骨、肋骨和軀干周圍膨脹，彈出的氣囊可以很大程度地增加緩沖面積，以對脊柱、腰椎等部分起到保護(hù)作用，減少跌倒受傷風(fēng)險。

2.3 橈骨防護(hù)結(jié)構(gòu)

橈骨遠(yuǎn)端骨折根據(jù)不同的受傷機(jī)理可以分為Colles骨折、Smith骨折和Barton骨折[19]。Colles骨折是橈骨遠(yuǎn)端骨折中最常見的，又稱為稱伸直型橈骨遠(yuǎn)端骨折。它的受傷發(fā)生機(jī)制多為平地跌倒，在跌倒時，人的手會不由自主地?fù)巫〉孛妫瑢?dǎo)致暴力集中于橈骨遠(yuǎn)端疏松部位，從而發(fā)生骨折[20]。老年人多伴有老年性骨質(zhì)疏松，更易發(fā)生橈骨遠(yuǎn)端骨折。因此，當(dāng)防摔服氣囊彈出時，其外部較硬耐磨材質(zhì)和內(nèi)層柔軟材質(zhì)可以形成有效緩沖，使得暴力分流和吸收，減少對于人體的傷害，降低跌倒受傷的風(fēng)險。

3 氣囊式防摔倒智能服裝的市場應(yīng)用

3.1 國外氣囊式防摔倒智能服裝產(chǎn)品現(xiàn)狀

日本hit-air是研究氣囊服裝最早的品牌公司，于1995年開始潛心研發(fā)安全氣囊馬甲，通過不斷地研究開發(fā)以及測試在1998年正式開發(fā)出世界上第一款“可以穿的安全氣囊”——hit-air充氣式護(hù)甲[21]。該品牌服裝范圍應(yīng)用很廣，最早應(yīng)用于馬術(shù)方面，后被各個國家廣泛應(yīng)用，范圍也拓展到摩托、消防、救援等。其生產(chǎn)的一款Hit-air Airbag System摩托車騎行用氣囊防護(hù)服有一根保險銷連接器可以拉出并啟動夾克的充氣控制單元，當(dāng)充氣中心充氣膨脹時可以吸收碰撞沖擊力，預(yù)防或減少外部對身體的傷害，且其中主體“空氣墊”還可以保持穿著者的脊柱固定，減少脊柱損傷的風(fēng)險。國外對這類產(chǎn)品的研究起步較早，技術(shù)相對系統(tǒng)成熟，已經(jīng)有了一定的規(guī)模。他們的產(chǎn)品研究方向主要集中在馬術(shù)、摩托車等行業(yè)，但是近年來也有針對于日常防護(hù)服的研究。

3.2 國內(nèi)氣囊式防摔倒智能服裝產(chǎn)品現(xiàn)狀

蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司所研發(fā)的老人“不怕摔”智能防摔氣囊，是一款專門針對老年人所使用的氣囊防摔服產(chǎn)品。穿著此款服裝時需要扣在腰部位置，在識別到人有摔倒傾向后，腰帶內(nèi)的安全氣囊能在0.18 s內(nèi)彈出打開，減少90%以上的落地沖擊。該產(chǎn)品還配備監(jiān)護(hù)APP功能，在APP上可以隨時遠(yuǎn)程查看老人的健康狀態(tài)和身體數(shù)據(jù)。當(dāng)老人發(fā)生跌倒?fàn)顩r時，APP會立即遠(yuǎn)程自動報警且會及時將老人所在位置通過后臺通知子女?？偟膩碚f，這款防摔服功能比較完善，可大大降低老年人跌倒受傷的風(fēng)險。

3.3 前景展望

該類產(chǎn)品在中國的普及程度依然比較低。實用性方面，許多氣囊式防摔服都是一次性產(chǎn)品，有些可以重復(fù)使用，但是很難不造成磨損，因此需要不斷提升材質(zhì)的性能，增加耐磨程度，提高其實用性。價格方面，由于這類防摔服裝產(chǎn)品的成本比較高，造價比較昂貴，許多人不愿意去主動購買。安全性方面，雖然人們現(xiàn)在普遍比較注重健康安全問題，但是中國氣囊防摔服的市場還不夠成熟，這種需要帶有可穿戴電子設(shè)備的氣囊防摔服，人們普遍會擔(dān)心其是否存在輻射或者漏電等安全隱患問題[22]。今后在產(chǎn)品研發(fā)時，應(yīng)在不斷研究提高產(chǎn)品性能，提高靈敏性和準(zhǔn)確度，保證功能前提下控制成本造價，提高安全性，有助于市場進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大。

4 小結(jié)

在當(dāng)今老齡化背景下，老年人口數(shù)量不斷增加，老年人跌倒發(fā)生率不斷增加。老年人跌倒后骨折面臨著更大的健康風(fēng)險，跌倒后的后遺癥、癱瘓等很大程度影響到了其日常生活，因此，預(yù)防顯得格外重要。氣囊式防摔智能服裝作為一款預(yù)防老年人跌倒、減少其受傷風(fēng)險的功能性服裝，因其具有跌倒感知預(yù)測系統(tǒng)、氣囊保護(hù)系統(tǒng)和特有的材質(zhì)面料設(shè)計，并能實時發(fā)送危險預(yù)警，可以有效降低老年人意外受傷的風(fēng)險。