陳 遷，施春香，徐靖貽，金麗娟

（上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬光華醫(yī)院，上海 200052）

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）是治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎最常見(jiàn)的手術(shù)方案，主要通過(guò)植入人工關(guān)節(jié)替換受損的膝關(guān)節(jié)，以減少疼痛、提高患者膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度[1]。老年人是進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的主要群體。隨著人口老齡化日趨嚴(yán)重，預(yù)計(jì)到2030年，全球的老年人口數(shù)量將增長(zhǎng)60%以上[2]。越來(lái)越多的老年患者將通過(guò)TKA手術(shù)治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。僅2013-2014年，全球TKA手術(shù)就已達(dá)到100萬(wàn)余次[3]，預(yù)計(jì)到2030年這一數(shù)字將翻一番?，F(xiàn)有的TKA術(shù)后恢復(fù)方案大多是使用室內(nèi)儀器來(lái)檢測(cè)患者康復(fù)情況，衡量標(biāo)準(zhǔn)主要包括患者的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度[4]（range of motion，ROM）、定時(shí)起身（time up and go，TUG）[5]和定向地面反作用力[6]等。但室內(nèi)測(cè)量不僅無(wú)法反映患者生活中的運(yùn)動(dòng)模式，且檢測(cè)費(fèi)用開(kāi)銷較大[7]。另外，在詢問(wèn)患者恢復(fù)情況時(shí)，部分患者描述模糊，不能客觀反映調(diào)查結(jié)果[8]。近年來(lái)，可穿戴設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在社會(huì)需求的推動(dòng)下迅猛發(fā)展。通過(guò)可穿戴設(shè)備對(duì)患者實(shí)時(shí)監(jiān)控，能更準(zhǔn)確地了解患者日常生活中的運(yùn)動(dòng)情況，既有利于醫(yī)護(hù)人員指導(dǎo)患者進(jìn)行針對(duì)性康復(fù)訓(xùn)練，又有利于患者開(kāi)展自我監(jiān)測(cè)?？纱┐髟O(shè)備已在TKA術(shù)中監(jiān)測(cè)、康復(fù)期數(shù)據(jù)采集分析[9]等方面發(fā)揮了一定作用。本文就可穿戴設(shè)備在TKA患者中的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，旨在為相關(guān)設(shè)備的進(jìn)一步研發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 可穿戴設(shè)備概述

可穿戴設(shè)備是一系列記錄人體生理特征數(shù)據(jù)的傳感器集合，大多固定于人體關(guān)節(jié)、頭部或衣服等位置來(lái)測(cè)量各項(xiàng)生理指標(biāo)[10]。在可穿戴設(shè)備中，通常配有加速度計(jì)、陀螺儀、心率和血氧監(jiān)測(cè)器以及全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）等傳感器，結(jié)合慣性測(cè)量單元（inertial measurement units，IMU）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整合?？纱┐髟O(shè)備常見(jiàn)的佩戴形式為手環(huán)或腳環(huán)。微軟、OPPO和亞馬遜等多家科技公司均開(kāi)發(fā)了可用于TKA后康復(fù)患者的可穿戴設(shè)備，如Fitbit[11]、Garmin[12]、Misfit[13]等。在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，可穿戴設(shè)備主要用于采集患者的關(guān)節(jié)壓力、ROM等數(shù)據(jù)。醫(yī)護(hù)人員可根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行步態(tài)分析、關(guān)節(jié)壓力測(cè)試及康復(fù)測(cè)試等[14]，并為患者制訂針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃；還可將相關(guān)康復(fù)指導(dǎo)錄制成視頻，通過(guò)與可穿戴設(shè)備配套的手機(jī)App發(fā)送至患者手機(jī)。目前，可穿戴設(shè)備被越來(lái)越多地用于評(píng)估患者的活動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)水平。隨著可穿戴設(shè)備的日益成熟和普及，TKA患者將更加明顯地體驗(yàn)到其帶來(lái)的便利。

2 可穿戴設(shè)備在TKA患者中的應(yīng)用

2.1 膝關(guān)節(jié)壓力檢測(cè)TKA手術(shù)中使用的傳統(tǒng)測(cè)壓裝置普遍材質(zhì)堅(jiān)硬，難以適應(yīng)關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩之間彎曲且不規(guī)則的接觸情況，大多情況下醫(yī)師需憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定膝關(guān)節(jié)的位置，而這也可能導(dǎo)致后期采集到的膝關(guān)節(jié)壓力數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確[15]。因此需要設(shè)計(jì)與人體半月板韌性和硬度相似的人工半月板來(lái)協(xié)助測(cè)壓，以確保醫(yī)師能夠合理調(diào)節(jié)人工膝關(guān)節(jié)的位置和緊密度，確保術(shù)后關(guān)節(jié)的正常活動(dòng)[16-17]。Sun等[18]研發(fā)了一種由透明硅膠材料制成的月牙形壓力傳感器，該傳感器由2個(gè)傳感器陣列組成，分別用以檢測(cè)關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)窩的壓力分布。該傳感器可通過(guò)外圍電路和終端實(shí)時(shí)顯示關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力值，醫(yī)師可根據(jù)壓力分布情況調(diào)整人工膝關(guān)節(jié)的安裝位置，避免出現(xiàn)安裝過(guò)緊或過(guò)松。術(shù)中通過(guò)可穿戴設(shè)備準(zhǔn)確檢測(cè)膝關(guān)節(jié)壓力，可指導(dǎo)醫(yī)師更科學(xué)、合理地安裝人工關(guān)節(jié)，有助于手術(shù)的順利進(jìn)行。

2.2 膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量與改善目前膝關(guān)節(jié)ROM測(cè)量大多使用量角儀，并不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性測(cè)量。故有研究者提出視覺(jué)跟蹤的思路，即使用照相機(jī)和特征提取的方式來(lái)測(cè)量ROM[19]。但該方式也存在價(jià)格昂貴、使用不連續(xù)等缺點(diǎn)。因此，基于慣性傳感器的測(cè)量方式應(yīng)運(yùn)而生。該方式將多個(gè)傳感器固定于身體的不同部位，測(cè)量數(shù)據(jù)更加精確，且具有易于部署、價(jià)格低廉、可連續(xù)監(jiān)測(cè)術(shù)后膝關(guān)節(jié)活動(dòng)情況等優(yōu)點(diǎn)[20]。TKA術(shù)后康復(fù)期間，醫(yī)師可根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了解患者恢復(fù)情況，并靈活調(diào)整康復(fù)方案，從而促進(jìn)患者膝關(guān)節(jié)長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)能力的恢復(fù)。國(guó)內(nèi)，有醫(yī)療公司研發(fā)了一款名為“NEOGAIT”的智能可穿戴康復(fù)設(shè)備[21]。該設(shè)備為內(nèi)置三軸加速度計(jì)和陀螺儀的腳環(huán)，并配有手機(jī)App“骨病痛”和“骨病痛醫(yī)師版”。腳環(huán)設(shè)備動(dòng)態(tài)采集TKA患者的ROM等數(shù)據(jù)并上傳到云端服務(wù)器，醫(yī)師即可在App醫(yī)師端查看到相關(guān)數(shù)據(jù)并為其制定具體康復(fù)計(jì)劃（包括屈膝、抬腿等10余種動(dòng)作），患者便可在手機(jī)端查看醫(yī)師給出的康復(fù)計(jì)劃并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄和反饋。研究[21]顯示，與傳統(tǒng)訓(xùn)練相比，術(shù)后6個(gè)月內(nèi)使用NEOGAIT進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練能更好地提高TKA患者的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)?；颊逿KA術(shù)后由于膝關(guān)節(jié)僵硬，ROM往往只能達(dá)到90°，而上下樓、下蹲等活動(dòng)要求ROM至少100°，這也是不少TKA患者術(shù)后恢復(fù)不滿意的主要原因[22]。有研究[23]通過(guò)使用一款可穿戴式輔助訓(xùn)練設(shè)備HWA對(duì)TKA患者進(jìn)行了為期8周的康復(fù)訓(xùn)練，使患者膝關(guān)節(jié)ROM由70°增至105°，接近正常水平。另外，有研究人員設(shè)計(jì)了一種外骨骼型康復(fù)機(jī)器人HAL[24]。該設(shè)備可輔助下肢活動(dòng)，對(duì)TKA患者的ROM有改善作用。相關(guān)可穿戴設(shè)備用于TKA術(shù)后患者的早期康復(fù)訓(xùn)練，可清晰記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，有助于指導(dǎo)醫(yī)師制訂更合理、有針對(duì)性的康復(fù)計(jì)劃，且其安全性、可行性和有效性等也都得到了證實(shí)[25]。

2.3 步態(tài)檢測(cè)與康復(fù)訓(xùn)練在TKA患者術(shù)后恢復(fù)過(guò)程中，步態(tài)是否正常是一個(gè)重要考核內(nèi)容[26]。在室內(nèi)進(jìn)行步態(tài)檢測(cè)需多個(gè)設(shè)備，且會(huì)影響患者的正常行走。目前的可穿戴設(shè)備越來(lái)越輕便，基本不干擾患者的主體行為[27]。Youn等[28]使用可穿戴設(shè)備和運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)收集了TKA患者的11個(gè)慣性步態(tài)變量，并將二者收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)這些變量能夠有效預(yù)測(cè)TKA患者的步態(tài)恢復(fù)情況；但前者可連續(xù)檢測(cè)步態(tài)變量，對(duì)異常步態(tài)的檢測(cè)更有效，能更準(zhǔn)確了解運(yùn)動(dòng)模式與TKA術(shù)后康復(fù)間的關(guān)系。美國(guó)生物力學(xué)研究所的一項(xiàng)研究[29]表明，每周1次的康復(fù)訓(xùn)練并不能滿足TKA患者的需求，TKA患者在行走過(guò)程中常因疼痛選擇受力代償，如訓(xùn)練頻率太低則難以矯正其代償習(xí)慣。該研究將傳感器與聽(tīng)覺(jué)反饋系統(tǒng)相結(jié)合，使用無(wú)線慣性測(cè)量單元檢測(cè)膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)情況。使用時(shí)，在患者膝關(guān)節(jié)的上下兩端各放置1個(gè)傳感器，通過(guò)六軸融合算法來(lái)計(jì)算膝關(guān)節(jié)屈曲度[30]和偏移誤差，并發(fā)出不同的語(yǔ)音提醒患者調(diào)整步態(tài)。相關(guān)措施的運(yùn)用顯著改善了TKA患者術(shù)后的步態(tài)模式。Koseki等[31]使用HWA來(lái)訓(xùn)練TKA患者的步態(tài)模式，并使用陀螺儀和扭矩傳感器收集TKA患者行走過(guò)程中的平均步長(zhǎng)、步頻以及膝關(guān)節(jié)伸展扭矩等數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)在8周的HWA輔助訓(xùn)練后，觀察組患者的步頻等行走能力較對(duì)照組有顯著改善，膝關(guān)節(jié)伸展扭矩基本恢復(fù)至正常水平。HWA不僅對(duì)改善TKA患者的ROM有幫助，也能改善其步態(tài)特征，進(jìn)而可改善患者的行走能力。以步態(tài)檢測(cè)與訓(xùn)練為對(duì)標(biāo)依據(jù)，可穿戴設(shè)備相比大型設(shè)備，在靈活性、交互友好度等方面都展現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。

3 可穿戴設(shè)備在TKA患者應(yīng)用中存在的問(wèn)題

3.1 數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一傳統(tǒng)TKA術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練中，患者需要佩戴大量的專有設(shè)備以測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。而使用不同設(shè)備往往存在采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、通信協(xié)議不兼容以及康復(fù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題[32-33]。有研究者[34]提出一種測(cè)量膝關(guān)節(jié)曲面中心（flexion facet center，F(xiàn)FC）數(shù)據(jù)的評(píng)估方法。該方法結(jié)合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和特制夾具，可較準(zhǔn)確記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，但需要使用特定可穿戴設(shè)備并配合專業(yè)人員才能測(cè)量。因此，該方法尚未得到臨床推廣。在膝關(guān)節(jié)活動(dòng)指標(biāo)測(cè)量方面，不同可穿戴設(shè)備的使用方式和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，導(dǎo)致結(jié)果存在較大誤差，難以做到有效評(píng)估。

3.2 康復(fù)訓(xùn)練有效性不能保證近期，Bahadori等[35]研究表明，使用可穿戴設(shè)備配合手機(jī)App并不能保證康復(fù)訓(xùn)練的有效性。該調(diào)查選取了Apple、Google Play等應(yīng)用商店的15款A(yù)pp，讓患者從外觀簡(jiǎn)潔性和推送信息等方面對(duì)其打分。結(jié)果表明，各款應(yīng)用程序在外觀方面得分差異最大，信息質(zhì)量得分最低。究其原因，一方面，多數(shù)TKA患者為老年人，App是否簡(jiǎn)潔、易用，直接影響使用效果；另一方面，其推送的訓(xùn)練計(jì)劃并不能對(duì)患者的康復(fù)產(chǎn)生實(shí)際幫助。此外，手機(jī)App中信息的可讀性也是影響患者使用體驗(yàn)的重要一環(huán)[36]。調(diào)查涉及的多款A(yù)pp中只有1款易于閱讀，絕大多數(shù)App設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)未充分考慮患者的使用體驗(yàn)。丁芳等[37]的研究也表明，術(shù)后12周內(nèi)佩戴可穿戴式關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量?jī)x的TKA患者，其康復(fù)效果并未優(yōu)于對(duì)照組，兩組的WOMAC指數(shù)和HSS評(píng)分差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[38]。因此，目前研究尚不能充分說(shuō)明可穿戴設(shè)備在術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練中的有效性。

3.3 數(shù)據(jù)安全性不確定，存在隱私泄漏風(fēng)險(xiǎn)可穿戴設(shè)備通過(guò)各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)最終匯集到服務(wù)商手中，不同服務(wù)商可能會(huì)將這些數(shù)據(jù)泄漏或根據(jù)患者的個(gè)人信息向其推送醫(yī)療產(chǎn)品廣告[39]。一方面，患者使用相關(guān)可穿戴設(shè)備前需下載安裝相應(yīng)App，服務(wù)商通過(guò)App獲取個(gè)人信息的同時(shí)也存在泄漏隱私的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，可穿戴設(shè)備多通過(guò)藍(lán)牙等近場(chǎng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該過(guò)程中也存在隱私數(shù)據(jù)被第三方攔截獲取的風(fēng)險(xiǎn)[40]。而隨著老齡化社會(huì)和移動(dòng)醫(yī)療的發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)管政策，保障患者隱私安全。

4 可穿戴設(shè)備在TKA患者中的應(yīng)用展望

4.1 統(tǒng)一可穿戴設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同可穿戴設(shè)備在生產(chǎn)制造時(shí)均須滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并以統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范監(jiān)測(cè)患者身體數(shù)據(jù)，能夠按照相同的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析并反饋給患者，使患者即使使用不同設(shè)備也能得到相同的康復(fù)結(jié)論。這樣就可使醫(yī)護(hù)人員能有效獲取患者的健康相關(guān)參數(shù)，并制訂合理康復(fù)計(jì)劃，減少患者的治療時(shí)間和就醫(yī)成本。

4.2 功能個(gè)性化可穿戴設(shè)備采集TKA患者的身體數(shù)據(jù)后傳送到云端，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)處理和人工智能分析，可以給患者推送個(gè)性化的醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練方案并建立康復(fù)反饋機(jī)制。在患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，相關(guān)設(shè)備通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控心率、關(guān)節(jié)肌張力等身體指標(biāo)，逐步提高患者的身體活動(dòng)水平，并對(duì)患者的康復(fù)過(guò)程建立正反饋機(jī)制，及時(shí)提醒、鼓勵(lì)患者按康復(fù)方案進(jìn)行訓(xùn)練，幫助患者建立康復(fù)信心。

4.3 操作簡(jiǎn)易化針對(duì)TKA患者群體大多為中老年人的情況，建議服務(wù)商在可穿戴設(shè)備中配置語(yǔ)音服務(wù)功能，以語(yǔ)音指導(dǎo)患者的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作并進(jìn)行矯正預(yù)警。同時(shí)，應(yīng)精簡(jiǎn)手機(jī)端App頁(yè)面功能按鈕，合理推送信息，提高老年患者的使用舒適性和依從性。

4.4 規(guī)范隱私數(shù)據(jù)在云端的互融與安全后續(xù)還需出臺(tái)相關(guān)監(jiān)管政策及法規(guī)，進(jìn)一步規(guī)范行業(yè)數(shù)據(jù)保密協(xié)議，規(guī)定可穿戴設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)僅用于患者的后續(xù)醫(yī)療工作，保證云端數(shù)據(jù)的安全性，且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同可穿戴設(shè)備間治療信息和數(shù)據(jù)的共享。

5 小結(jié)

可穿戴設(shè)備是現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，因其緊密連接生活場(chǎng)景，可擴(kuò)展空間巨大?？纱┐髟O(shè)備在TKA患者膝關(guān)節(jié)壓力檢測(cè)、膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量與改善、步態(tài)檢測(cè)與康復(fù)訓(xùn)練等方面均有明顯效果，可解決傳統(tǒng)TKA術(shù)后康復(fù)效果不易量化等問(wèn)題，在一定程度上提高了患者康復(fù)訓(xùn)練的依從性，降低了康復(fù)成本。但其仍存在測(cè)量數(shù)據(jù)不精確、可能泄露患者隱私等挑戰(zhàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的日趨完善，未來(lái)對(duì)于可穿戴設(shè)備的研究也將朝著個(gè)性化、有效性、安全性和規(guī)范性的方向發(fā)展。屆時(shí)，在醫(yī)師、患者、家屬及服務(wù)商的共同努力下，TKA術(shù)中監(jiān)測(cè)及術(shù)后康復(fù)輔助都將有更好的解決方案和效果。醫(yī)護(hù)人員和開(kāi)發(fā)人員應(yīng)積極探索可穿戴設(shè)備在TKA患者中的應(yīng)用，豐富可穿戴設(shè)備所監(jiān)測(cè)的身體性能指標(biāo)和使用場(chǎng)景，助力可穿戴設(shè)備發(fā)揮更全面的醫(yī)療效果?；颊咭矐?yīng)主動(dòng)配合醫(yī)護(hù)人員在可穿戴治療方案中的嘗試，積極適應(yīng)可穿戴設(shè)備對(duì)康復(fù)訓(xùn)練帶來(lái)的有益變化。相信在多方協(xié)同配合下，可穿戴設(shè)備在TKA患者中的應(yīng)用也將更加成熟和規(guī)范。