可穿戴設備在骨科康復護理領域中的應用綜述*

盧 雯 陳湘玉 史冬泉 史婷奇 李昕華

(南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院 南京 210008)

1 引言

2 資料與方法

檢索中國知網(wǎng)、維普數(shù)據(jù)庫、萬方醫(yī)學、PubMed數(shù)據(jù)庫，搜索可穿戴設備在骨科護理康復領域應用相關文獻共368篇。其中英文279篇，中文89篇。使用主題詞和關鍵詞檢索，中文檢索詞為：可穿戴設備/康復/骨科康復/康復護理/康復訓練；英文檢索詞為：Wearable devices/ rehabilitation/orthopedic/rehabilitation/rehabilitation nursing/rehabilitation training。檢索方式為主題詞檢索；時間限制為自建庫起至2021年。納入與可穿戴設備在骨科康復醫(yī)學中的應用相關文獻；排除標準是與可穿戴設備相關度不高的文獻、重復發(fā)表的研究、總結報告、通訊報道、知識介紹、非中英文文獻。對所檢索文獻遵照納入與排除標準進行篩選，篩選后共獲得文獻368篇，閱讀標題和摘要后共納入113篇，逐篇閱讀全文，最終納入文獻52篇。對納入的52篇文章詳細閱讀，選取有代表性的研究成果進行介紹。

3 可穿戴設備

3.1 定義與相關技術

3.1.1 定義 指采用穿戴技術對日常設備進行智能化設計，用特定算法進行技術運行，附著或穿在用戶身上的一類產品，監(jiān)測范圍包括運動、環(huán)境、生理、醫(yī)療、護理等數(shù)據(jù)信息。根據(jù)我國《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》規(guī)定，以疾病診斷、監(jiān)測等作為預期目標的可穿戴設備才可作為醫(yī)療器械進行管理?？纱┐髟O備通過軟件支持、數(shù)據(jù)交互及云端交互實現(xiàn)強大功能[3]。

3.1.2 可穿戴技術(Wearable Technology，WT) 融合無線電、多媒體及傳感器等技術，在此基礎上制造出通過手勢、眼球運動等動作即可操控并能隨身攜帶的設備?？纱┐髟O備是可以穿戴在人身體上的設備總稱，其形式已由最初的智能手環(huán)發(fā)展到四肢外骨骼機器人等。其在骨科應用由簡單的記錄心率、體溫等生命體征，逐步擴展到四肢活動度和步態(tài)分析、力學靜態(tài)穩(wěn)定計算及分析等[4]。隨著藍牙、WIFI、計算機技術、人體通信技術的發(fā)展，WT應用更加精準化和個體化，其在骨科康復護理領域的應用越來越廣泛。

3.2 國外骨科康復護理中的應用現(xiàn)狀

3.2.1 概述 隨著全球家庭康復需求不斷增長，創(chuàng)新型可穿戴設備在國外長期發(fā)展中走向成熟，幫助患者遠程康復，通過外力輔助患者進行肢體活動，對缺失行走能力的人群開展訓練，幫助有需求的人群提高康復能力。

3.2.2 遠程健康監(jiān)測 可穿戴式心率監(jiān)測儀、健康監(jiān)測儀、3D追蹤器等可穿戴設備可提供遠程健康監(jiān)測功能，使不同地域患者共享優(yōu)質醫(yī)療及護理資源。Mehta S J、Hume E和Troxel A B等[5]利用可穿戴監(jiān)視器，對髖關節(jié)及膝關節(jié)置換術患者進行術后跟蹤步數(shù)、術后康復鍛煉、疼痛評分等，評估患者出院率，結果顯示干預組再住院率顯著降低。Chughtai M、Kelly J J和Newman J M等[6]評估遠程康復平臺在全膝或單膝關節(jié)置換術患者中的康復應用，評價虛擬康復平臺可用性、患者物理治療時間及臨床結局，降低康復成本，提升便利性，最終提高患者依從性和滿意度。可穿戴設備不僅能監(jiān)測生命體征，還能將監(jiān)測和收集到的數(shù)據(jù)反饋給用戶端，打破地區(qū)限制，為偏遠地區(qū)提供遠程監(jiān)測。

3.2.3 功能康復 通過運動神經元獲取大腦神經信號，探測皮膚表面微弱的信號，再通過動力裝置控制肌肉和骨骼移動。例如可穿戴式智能鞋可顯著改善下肢骨折和髖關節(jié)置換術后患者的異?？祻湍Ｊ?；可穿戴踝關節(jié)機器人輔助下肢運動障礙者進行踝部功能鍛煉，避免足下垂和外翻，改善步態(tài)生物力學，減少對輔助設備的依賴。Eichler S、Rabe S和Salzwedel A等[7]開展關節(jié)置換患者術后運動治療相關研究，對全髖關節(jié)或膝關節(jié)置換術后患者進行交互式遠程康復干預，患者在身體機能、功能活動、生活質量和疼痛方面均優(yōu)于常規(guī)組。Tousignant M、Moffet H和Nadeau S等[8]提供全膝關節(jié)置換術患者出院后的連續(xù)護理服務，為家庭遠程康復有效性提供可靠數(shù)據(jù)。Villafae J H、Taveggia G和Galeri S等[9]評估機器人輔助活動對手部麻痹中風患者的有效性?？纱┐髟O備遠程采集生物特征數(shù)據(jù)用以開發(fā)定制更為合適的康復護理方案， 促進患者早日康復。

3.2.4 老年骨科患者中的應用 可穿戴設備在老年骨科患者康復領域應用成效顯著。日本制造的可穿戴機器人HAL是一款針對腦血管患者等或高齡造成的腿力變差的外骨骼機器人，用于患者基礎訓練以及因脊椎損傷、腦溢血而癱瘓患者的康復。在HAL的幫助下老年患者不僅可以進行正常生活，還可以完成站立、步行、攀爬、抓握、舉重物等高難度動作。可穿戴式老年人跌倒預警儀則可通過傳感器捕捉到患者姿勢并進行分析，如果出現(xiàn)異?？梢钥焖俜从车脚宕髡叩氖謾C終端等，通過震動預警患者，預防老年患者跌倒。

3.3 我國骨科康復護理領域的應用現(xiàn)狀

近年來我國重視醫(yī)療器械設備領域發(fā)展，針對各類患病群體的治療器械開發(fā)與研究持續(xù)推進?？纱┐髟O備作為智慧醫(yī)療的重要組成部分已應用于骨科康復護理領域?？纱┐髟O備便于攜帶，針對患者日常穿戴進行智能化配置，打破了傳統(tǒng)康復護理的限制，可實時采集、分析、傳輸人體信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對患者健康狀態(tài)的多元化監(jiān)測，提高患者自我管理積極性。國內康復機器人、智能穿戴等康復醫(yī)療器械領域相關研究不斷發(fā)展。如馬可[10]介紹一種應用于膝關節(jié)康復患者的可穿戴設備；錢歡、洪洋和潘鋼[11]基于傳感器技術設計一款下肢骨折康復護理監(jiān)護儀；周聰[12]介紹了一款穿戴式髖關節(jié)康復訓練機器人。未來我國骨科遠程會診、骨科康復醫(yī)療及護理大數(shù)據(jù)平臺等新載體的建立需要可穿戴設備作為基礎支撐。

網(wǎng)絡凝聚子群是網(wǎng)絡中的行為者子集，其中行動者之間存在相對較強、直接、緊密、經常或者積極的關系[13]。本文設置凝聚子群最大切分深度為3，共得到8個派系分類(如表1)。

4 可穿戴設備基本結構

4.1 結構及特點

可穿戴設備主要由傳感、通信、數(shù)據(jù)處理組件構成，涉及傳感器、顯示器、無線通信、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)安全等方面。其主要由4個基礎單元組成，即傳感單元、通信單元、處理單元及顯示單元。具有可移動性、可穿戴性、可持續(xù)性、可交互性及簡單操作性等特點[13]。

4.2 傳感單元

可穿戴設備是利用傳感器或藍牙等連接進行實時數(shù)據(jù)跟蹤、展示及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜藱C交互智能技術，可通過主機內置傾斜傳感器追蹤患者步行時小腿前后擺動的位置角度和速度，在輔助患者行走過程中為其設計個性化康復訓練。

4.3 通信單元

通信單元用于建立移動端與可穿戴設備的連接，實現(xiàn)后臺運行數(shù)據(jù)接收服務，同時通過電力5G無線專網(wǎng)可將接收到的數(shù)據(jù)(圖片、視頻等)上傳至服務器和從服務器下載信息。

4.4 處理單元

可穿戴康復設備能遠程記錄康復數(shù)據(jù)?？祻拖到y(tǒng)中所有功能還存在不同配置信息、業(yè)務數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)等信息，數(shù)據(jù)庫能根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息進行歸檔、快速查詢并保持數(shù)據(jù)完整性、可靠性、一致性。

4.5 顯示單元

可穿戴設備使患者足不出戶便可實現(xiàn)對刺激器參數(shù)的實時遠程調控和語音視頻指導，可自動生成健康報告，實時保存患者康復數(shù)據(jù)并反饋給護理人員，及時調整康復護理方案。

5 可穿戴設備在骨科康復護理中的應用特征

5.1 設有預警機制

不正確的康復方式可能會導致骨關節(jié)和骨組織二次損傷?？纱┐髟O備的多種鍛煉模式基于壓力變化感知分析，對用戶康復數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和預警。如果出現(xiàn)壓力驟變等異常情況手機端APP將出現(xiàn)警示，提醒用戶更正不正確的鍛煉方式，避免組織關節(jié)損傷，將記錄的壓力數(shù)據(jù)反饋給康復護士，通過軟件進行可視化數(shù)據(jù)分析。

5.2 便攜性與可移動性

可穿戴設備便于攜帶，具有遠程跟蹤、實時監(jiān)護等功能，可用于骨科患者人體生理參數(shù)健康監(jiān)護及康復運動監(jiān)護?？纱┐髟O備主動協(xié)助患者進行關節(jié)康復運動，刺激肌肉活動，降低心肺代謝率，達到改善步態(tài)指標的目的；可進行人體步態(tài)分析、運動學分析，提出針對骨科患者術后康復的評價方法[14]。

5.3 持續(xù)收集可視化數(shù)據(jù)

可穿戴設備利用算法生成可視化數(shù)據(jù)，幫助康復護士分析數(shù)據(jù)中的信息和規(guī)律，使用集成視圖將康復相關所有信息集成顯示，改進和完善現(xiàn)有骨科康復護理方案，促進康復護理領域科研及臨床治療發(fā)展，同時為計算機技術在醫(yī)學領域中的應用開辟廣闊空間。

5.4 具有反饋機制

在大部分骨科手術治療中術后康復護理占據(jù)主導地位，需重視院外患者康復依從性和有效性。可穿戴設備能夠輔助進行關節(jié)屈伸活動度訓練以防止關節(jié)粘連，設有多傳感器，可多關節(jié)、多角度、多方向監(jiān)測患者術后鍛煉，通過算法直觀地將數(shù)據(jù)反饋給護士，護士通過觀察患者鍛煉角度達到預設目標情況以修正和調整康復護理方案。

6 在骨科康復護理中的優(yōu)勢

6.1 提高患者獲得感，減少護患糾紛

可穿戴設備為幫助骨科患者康復提供客觀數(shù)據(jù)，為骨科患者提供更加精準的院外康復護理方案，滿足患者和家屬在家庭康復護理方面的需求，提高康復護理質量，有助于減少護患糾紛，促進護患和諧。

6.2 遠程獲取骨科患者康復動態(tài)數(shù)據(jù)，提供精準康復護理

通過大數(shù)據(jù)護士可精準掌握病情變化，提供針對性康復服務，改進遠程康復護理方案，優(yōu)化康復護理流程，促進患者及早康復?？纱┐髟O備可提供患者關節(jié)運動頻次、節(jié)律、角度的動態(tài)數(shù)據(jù)，幫助護士在保證安全前提下督促患者進行康復運動，提高康復依從性，改善患者結局。

6.3 探索康復護理遠程服務模型和機制，提供居家康復護理

可穿戴設備為患者提供出院后遠程精準康復護理和居家護理，將骨科康復從院內延伸至院外，為患者提供更專業(yè)、科學、精準的個性化康復護理方案，使其足不出戶就可以享受科學規(guī)范的護理康復指導，節(jié)省患者及家屬時間及經濟成本。

7 發(fā)展方向

7.1 需建立符合人體工程學要求的載體

可穿戴設備要長時間、高精度監(jiān)測，需附著于人體皮膚但又不能使人產生不適感，否則將影響患者穿戴時長，因此應進一步提高穿戴舒適性。目前可穿戴設備存在真實應用場景中穩(wěn)定性不高、抗環(huán)境干擾能力不強以及規(guī)模化生產困難等挑戰(zhàn)。要解決這些問題應加強技術研究，其中性能優(yōu)異、材料體系多功能以及器件結構合理等較為關鍵。

7.2 建立針對國民生命體征的健康數(shù)據(jù)庫

目前醫(yī)療康復領域的基礎數(shù)據(jù)大多來自發(fā)達國家建立的西方人種健康數(shù)據(jù)庫，但不同人種、年齡、性別的人群生命體質特征數(shù)據(jù)存在差別。國內可穿戴醫(yī)療設備能監(jiān)測的體征數(shù)據(jù)有上百種，缺乏針對我國公民的體征健康數(shù)據(jù)庫[15]。建立針對國民生命體征的健康數(shù)據(jù)庫十分必要。

7.3 健全適合國情的健康數(shù)據(jù)保護法律法規(guī)

可穿戴醫(yī)療康復設備在智能手機APP使用上存在健康隱私數(shù)據(jù)泄露風險。部分可穿戴康復設備在健康數(shù)據(jù)收集類型、方式及用途均未明確告知用戶且并未征得其同意的情況下，將隱私數(shù)據(jù)泄露出售。我國應建立全流程健康數(shù)據(jù)保護規(guī)范，保障個人健康信息隱私，完善健康數(shù)據(jù)安全保護體系，建立健康數(shù)據(jù)應急制度，以便發(fā)生泄露事件時及時采取補救措施。

8 結語

可穿戴設備可實施遠程健康監(jiān)控，建立患者與環(huán)境之間遠程聯(lián)系，未來將在骨科康復護理領域發(fā)揮更重要的作用。隨著科技不斷進步，應不斷發(fā)展具備持久續(xù)航能力、網(wǎng)絡穩(wěn)定、佩戴舒適的可穿戴設備，同時完善數(shù)據(jù)安全與隱私管理，以促進骨科患者遠程護理、精準護理及居家護理的發(fā)展，滿足人民日益增長的健康需求。