可穿戴设备在骨科的应用与研究*

范华雨曹向阳杨鑫

（河南省洛阳正骨医院河南省骨科医院郑州院区颈肩腰腿疼一科，郑州450000）

2012年Google公司发布智能眼镜引发世界高度关注，被称作“智能可穿戴设备元年”[1]。随后，三星公司等纷纷推出可穿戴产品[2]。2014年，苹果发布了可穿戴领域的Apple Watch智能手表。与此同时，国内的华为、小米等厂家也相继推出了自主品牌的手环等设备，由此可见可穿戴技术是未来的发展趋势。随着传感器、嵌入式、体域网[3]等技术的发展，这些商业化的可穿戴设备从生活领域也逐步进入到医疗领域，并在医疗领域中迅速发展。

1 可穿戴设备

可穿戴技术（wearable technology,WT），最早是20世纪60年代由美国麻省理工学院媒体实验室提出的创新技术[4]。最初的设计主旨是便利，通过把无线电、多媒体以及传感器等技术融合在一起制造出通过手势、眼球运动等动作即可操控并能随身携带的设备。而穿戴设备即是可以穿戴或者佩戴在人身体上的设备的总称，意为辅助人的便携设备，是WT的实现方式[5]，其不仅仅是硬件设备，更可通过软件支持以及数据、云端交互来实现强大功能。穿戴设备共由三个基础部分组成，包括传感单元、通信单元、处理单元[6]。其特征是可移动性、可穿戴性、可持续性、简单操作性、可交互性[7]。其形式的发展也千变万化，由智能手环等逐步到四肢外骨骼机器人等。在骨科的应用范围也由简单的记录心率、体温等生命体征扩展到四肢活动度、步态分析、计算并分析力学动静态稳定等。随着蓝牙、WiFi、Zigbee、GPS、计算机软硬件、人体通信技术、移动APP终端的发展[8]，WT也越来越精准化和个体医疗化，其在骨科领域的应用范围越来越广。

2 可穿戴设备在骨科退行性病变中的预防与治疗中的应用

进行早期预防及避免疾病发生是骨科退行性疾病治疗的关键。以颈椎病为例，我们可能无法改变正常的颈椎生理退变，但可以干预其加剧退变的因素，长期伏案工作人群的颈椎病发病率要高于常人，其原因是由于姿势不良加剧颈椎退变而导致的。基于此，可穿戴人体姿态监测系统在颈椎病的预防中发挥了一定的作用。其主要原理是对捕捉到的颈椎姿势，通过数据库、相关的数据模型等对佩戴者所处的姿势是否正确进行分析，如出现异常可以快速反馈到佩戴者的手机终端等，通过震动、提示音等方式提示佩戴者更改姿势并适当运动颈部[9]。髋膝关节姿势监测[10]也是根据此原理而设计的。可穿戴设备对骨科退变性疾病可以起到一定的预防和监控作用，在一定程度上可以减缓其退变的过程。

而在骨科退行性疾病的治疗方面，可穿戴设备也有一定的作用。以膝骨关节炎为例，随着老龄化社会的出现，骨科退行性病变如骨关节炎等越来越影响人们的生活质量，这在老年人中尤为明显，疼痛、畸形等症状迫使老年人越来越离不开轮椅、拐杖等辅助工具。运动疗法对于轻中度膝骨关节炎的治疗效果已得到肯定[11]，但大多数患者由于疼痛等因素不能进行有效而持续的肌力训练及关节活动度锻炼。Papi等[12]的研究发现，其研发的用于膝关节康复的可穿戴设备因其外观及舒适性被大多数患者接受并发挥其监测作用，该设备可以激励患者坚持锻炼并通过相应的人机交互方式加深患者对持续运动疗法的认识，提高患者的主观能动性，使得患者能够持续的进行运动疗法，从而对膝骨关节炎起到一定的治疗作用。

3 可穿戴设备在骨科手术术后的应用

骨科手术亦属于常规手术中的一种，术后同样需要检测血压、体温、疼痛等生命体征，从而更好地进行术后管理，但又不同于一般的手术，例如髋、膝关节置换术后要求患者进行关节功能锻炼等；又例如髋、膝关节置换术或骨折术后要求患者进行关节屈伸活动度的训练以防止关节粘连等导致的关节功能活动的丧失。

传统而言，一般患者的术后监护采用的是院内的心电监护机，但因其使用的空间局限性和众多的导线等，不利于患者早期的下床活动，并且可能影响患者的术后情绪，故最初由Lo等[13]研发了一种名为e-AR的可穿戴设备，通过其血氧模块对患者的血氧含量进行检测，医护端可以直观的看到所采集的连续氧合指数等数据，避免了普通心电监护仪间断记录数据造成的误差；目前国内由杨龙频等[14]研发的可穿戴胸带、腕带通过传感器和专利算法技术，可以直接测量和记录血压、脉搏、血糖、体温、心率等各种体征数据，此设备可使骨科术后管理变得更加便捷；基于步态分析的陀螺仪和线性加速计而设计的可穿戴设备[15]可根据穿戴者行走时肢体角速度和行走时直线加速度的监测预判患者术后跌倒等突发事件的概率。

对于髋、膝关节骨折及关节置换手术，结合目前较为流行且成熟的微创技术，极大缩短了患者的卧床时间及住院时间，但同时也带来了一个院外康复及康复有效率的问题，如传统的CPM机只能人为设置一定的屈伸角度、速度、时间，并且患者在使用CPM机时也不能够全程有专业人士指导，故有术后使用CPM机造成再次骨折的报道[16]。骨科手术成功后，其后期的康复占据了主导地位。可穿戴设备在骨科术后康复锻炼中的发展是非常迅速的，从最开始的仅含有一个传感器感知单一关节屈伸角度到奥地利Tyromotion研制的Pablo®系统的手持式康复设备[17]可测量并记录多传感器多关节多方向多角度的设备，可以直观的记录其数据并以数据图的形式显示，使患者和医师均能直观地看到患者锻炼的角度是否达到预设目标，从而对锻炼的有效性及程度有直观的认识。如梁文渊等[18]研制的一款特定针对人体髋关节的助力机器人，能够跟随大腿一起完成3个自由度的运动，实现人体髋关节3个自由度助力，使得患者能够在较少负重的情况下下床活动，有利于早期康复与功能锻炼；又如美国哈佛大学研究团队的外骨骼机器衣[19]，其功能从最开始的仅记录单个关节活动度发展到不仅能够测量其运动的角度及范围，更主要的是还能够辅助踝关节、髋关节等多个关节运动，并能实时反馈到移动终端，医师和患者均可直观地观测到患者下床后的活动情况，从而更好的修正和调整患者下床锻炼的屈伸等角度，监测患者术后的锻炼。

4 可穿戴设备在脊髓损伤后康复中的应用

脊髓损伤患者大多丧失了站立、行走等生活能力，其心理打击是可想而知的，所以早期脊髓损伤后的康复也显得越来越重要。其目的是尽可能早的恢复患者的日常生活能力，主要是站立和行走的能力。有研究表明，脊髓损伤后开展康复越早则康复效果越好，其主要机理是促进脊髓损伤后神经的可塑性[20]。传统的康复训练主要由康复师及固定的康复器具来完成，但是由于康复师水平的参差不齐及患者过多，很难形成一对一的专业性指导及康复锻炼。而人工外骨骼的应用使不完全脊髓损伤患者站立、行走等日程活动成为了可能。人工外骨骼的原理最初是通过仿生学理论而设计的可以使负荷转移至辅助人体行走的可穿戴设备上，后来逐步应用到康复领域。对于截瘫的患者，人工外骨骼Rewalk[21]首先通过支撑作用使不完全性脊髓损伤患者保持一定的姿势，由辅助站立逐步发展到可以拐杖辅助下维持平衡的完全站立，然后通过其自带的动力系统使患者可以逐步行走，甚至可以完成爬楼梯等动作，并通过传感器等的反馈使其维持固定的步态，避免患者因错误的锻炼方式等形成的难以更正的异常步态。在逐步的行走过程中，使患者可以减轻关节僵硬和肌肉挛缩带来的功能障碍，使神经的可塑性得到增强[22]，此设备也可将记录的锻炼反馈到终端使医师可以评估患者锻炼的有效程度；对于四肢瘫痪的患者，因其上肢无法操作该设备，导致其自身的锻炼更为困难，现有可穿戴设备可以侦测相关肌肉的表面肌电图信号[23]，通过监测人体神经传导给肌肉的电信号来识别患者的哪些肌肉即将有“做”的动作，随即反馈给外骨骼控制器，使外骨骼相应部分做出相应的动作，使四肢瘫痪的患者也可以进行早期锻炼，避免肌肉的废用性萎缩，增加了康复成功的可能性。

5 可穿戴设备在运动锻炼监测中的作用

生活中越来越多的人意识到健康的重要性，所以人们开始注重运动锻炼。众所周知，不健康的运动锻炼方式可能会导致组织、关节等损伤。在运动锻炼的过程中，基于压力变化的分析，可穿戴设备主要用于对穿戴用户运动时健身数据监测和预警，如由传感器、数据采集与传输模块、手机端以及计算机数据处理系统整合而制成的压力鞋垫[24]在其应用的过程中，若其压力出现骤变等异常，则可以在手机端相应APP中出现警示，从而及时提示锻炼人员及时更正不正确的锻炼方式而避免相关组织关节的损伤；还可以将记录的压力数据通过压力成像3D软件在计算机上进行数据的分析与可视化，这对于锻炼的有效性反馈起到很直观的作用。

6 可穿戴设备的现有问题及未来展望

6.1 可穿戴设备的现有问题

可穿戴设备虽然在骨科很多领域取得了一定的成绩，但就目前而言仍未完全实现其强大功能。尽管可穿戴设备市场增长迅速，如各式各样的运动手环等，但其对于大多数人而言，其主要功能还仅是显示步数、心率、血压等，不能为用户反馈真正有意义的信息；在健康监测等方面，其测试人体生理、病理、健康信息的种类有限，且精准性还存在较大问题[25]；因其生产材料较为昂贵，且生产未能规模化，故其价格较高[26]，一般的民众无法购买和使用；在续航方面，因其需要长时间监测、存储、传输多种类型的生理数据，故对能源要求比较高，而现有的设备普遍存在续航能力不足的情况[27]；在人机交互方面，可穿戴设备及现行的技术仍然无法满足人们的需要，以脊髓损伤高位截瘫的患者为例，其人机交互方式还停留在肌电图等方面，不能完全实现如眼球运动等多模式控制。

6.2 可穿戴设备的未来展望

随着技术的发展和进步，可穿戴设备的未来必将朝着低功耗、智能交互、微集成、柔性电子和大数据处理等方面发展，从而形成更为完整的生态系统[28]。在硬件方面，低功耗和高集成是其发展方向，以进一步研制多形式的可穿戴设备，如植入式穿戴设备等；在载体方面，具有传导性的织物是其未来方向[29]，不仅更舒适实用，更为重要的是传统衣服与穿戴设备完美结合使得穿戴者更容易接受；在续航方面，要继续着重于研究高性能的电池技术如柔性锂电池等，以满足长时间续航的需要[30,31]。虽然可穿戴设备的发展迅速，但就目前而言，纵观国内外尚未产生统一的分类、评定等行业标准和国际标准，无法衡量和指导其未来的发展走向[32]。在软件方面，其软件系统的封闭性也应被打破[33]，在方便操作和保障个人信息安全的同时，进一步促进可穿戴设备的发展与进步。

综上，随着各项技术的发展及其量产化，可穿戴设备在不远的将来必然能够在医疗健康领域发挥其更大的作用，为人们提供更多更加有效的服务。随着人们健康意识的逐步强化，可穿戴设备也必然符合人们对于健康监测等方面的需求，未来必然会更多地融入到人们的生活。

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