張廣舉

【摘 ?要】目前可穿戴設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備具有舒適性差、檢測精度受運動速度影響等缺點;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。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。

【關鍵詞】柔性傳感器;可穿戴設備;康復

1 柔性可穿戴設備在康復醫(yī)學中的應用

1.1 健康監(jiān)測

1.1.1 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，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，實現功能上合二為一，精簡了穿戴數量。

1.1.2 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。將石墨烯與金網結合，制造出1個可穿戴的柔性貼片，該貼片內部為電化學探針，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，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。

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，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)現明顯的運動偽影，表現出了良好的穩(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 運動監(jiān)測

1.2.1 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。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，基于該傳感器的可穿戴設備可以監(jiān)測到低至0.09%的微形變如手腕、手指等小關節(jié)的精細運動。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。

1.2.2 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。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;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。

1.3 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。

1.4 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。

2 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)測數據種類多樣化;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監(jiān)測與數據分析傳輸的同步化;智能康復方面則主要利用了柔性材料的高延展性，實現運動意圖識別與感覺的模擬與傳輸。雖然在過去數年中，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貼合度欠佳從而出現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，爭取早日實現臨床應用。

參考文獻：

[1]何宏瑾，王躍林.柔性可穿戴生命體征傳感器的研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（7）：1-6，14.

[2]歐國維，蒙山.基于多傳感器融合的老人跌倒檢測[J].微型電腦應用，2020，36（1）：149-153.

（作者單位：河南羲辰信息科技有限公司）