基于柔性传感器的可穿戴设备在康复领域中的应用

张广举

【摘  要】目前可穿戴设备使用的传感器主要有惯性传感器、kinect传感器，但惯性传感器多为延展性差的刚性材料制作，以它为核心的可穿戴设备具有舒适性差、检测精度受运动速度影响等缺点;基于kinect传感器的设备虽然准确性高，但其体积大，使用范围仅局限在特定的空间且价格高昂，不适用于日常穿戴及实时监测。柔性材料指具有良好延展性且延展过程中不失去性能的材料，柔性传感器是以柔性材料为核心原料制成的新型传感器，具有轻便、穿戴舒适、精确度高等优点，基于柔性传感器的可穿戴设备有望弥补传统设备的不足并广泛应用于临床。本研究目的是阐述基于柔性传感器的可穿戴设备在康复医学中的研究进展，为未来临床的应用和推广提供理论基础。

【关键词】柔性传感器;可穿戴设备;康复

1 柔性可穿戴设备在康复医学中的应用

1.1 健康监测

1.1.1 生命体征监测

目前可穿戴設备对生命体征的测量主要依靠光电、光化学转换，这些设备虽然可以实现实时移动测量，但价格较高且长期佩戴可能会引起不适，精确性、敏感性方面也有所欠缺。目前已有不少文献报道柔性可穿戴设备有更出色的性能和舒适性：如在柔性基底上加入褶皱金薄膜制作了柔性传感器，基于该传感器的可穿戴设备可以监测桡动脉血压且反应灵敏，有潜力用作动态血压监测;在此基础上，用还原石墨烯为主要材料制备出柔性多模传感器，基于该传感器的可穿戴设备可以同时对呼吸和脉搏进行监测，实现功能上合二为一，精简了穿戴数量。

1.1.2 血糖、乳酸、电解质监测

血糖监测对于糖尿病患者而言至关重要。目前，应用最广泛的血糖测量方式是手指穿刺，这种方法为有创检查，会增加糖尿病患者感染风险。为了提高血糖监测的安全性，科研人员正在研发一种基于柔性传感器的无创血糖监测方法。将石墨烯与金网结合，制造出1个可穿戴的柔性贴片，该贴片内部为电化学探针，可以分析汗液的含糖量，再利用汗液糖量与血糖的对应关系进而分析血糖。除此之外，该贴片可以通过热驱动来释放二甲双胍，降低糖尿病患者的血糖水平，该装置在动物实验中已被证明有效。为了获得更准确的血糖监测结果，使用碳纳米管、Agcl金属电极制作了类似功能的柔性皮肤贴片，该贴片在分析汗液含糖量的同时分析汗液中的乳酸并记录体温，然后利用这2个指标对汗液含糖量进行矫正，从而得到更准确的血糖水平。

1.1.3 生物电监测

心电、肌电、脑电等生物电信号能够提供丰富的生理信息，可用于疾病诊断和治疗效果的评估，但传统的检查方式步骤复杂、舒适性差、易受运动伪影影响。柔性可穿戴设备的应用可以简化检查步骤并提升检查舒适性、精确性。为了提升检测过程中的稳定性与舒适性，将电极集成于柔性纺织式传感器中，并用其替代传统粘贴性电极，保证了心电图测量过程中的舒适性，不仅如此，使用该设备在转身、行走过程中测量未发现明显的运动伪影，表现出了良好的稳定性。使用纳米材料制作的柔性电极也有同样的效果。将电极集成在用纳米金属材料制成的柔性传感器中，基于该传感器的设备具有良好的生物兼容性、精确性，可以无线获取脑电图，并根据脑电图图像区分老年痴呆症患者和健康人群，从而为快速诊断及评估老年痴呆症提供了可能。

1.2 运动监测

1.2.1 关节运动监测

人体姿态和运动分析在康复医学中具有重要意义。然而，如何研制出轻便舒适并能准确捕捉人体运动的可穿戴设备仍是一个难题，柔性可穿戴设备的研发为解决上述问题提供了新的可能性。可穿戴设备对不同部位的运动监测包括：（1）小关节精细运动如腕、指间关节等;（2）大关节大幅度运动如膝、踝关节等。将液态金属共晶镓铟（EGa In）嵌入波状微通道弹性体基体中，制造了一种微流控柔性传感器，它具有高灵敏度和分辨率的特点，基于该传感器的可穿戴设备可以监测到低至0.09%的微形变如手腕、手指等小关节的精细运动。将工作重心放在大关节监测，他们认为有运动障碍的患者在进行运动康复过程中有一定危险性，因此他们将柔性传感器与纺织品结合做成有保护膝、踝关节作用的可穿戴设备，这一设计将传感器和护具结合起来，既有保护、支撑关节的作用，又有监测关节运动的作用。

1.2.2 步态监测

步态异常是康复领域中很常见的一种功能障碍，如卒中后的偏瘫步态、帕金森病的慌张步态等。步态监测不仅是一种有效的诊断手段，而且是对病情严重程度的有效评估手段。传统的步态分析往往靠肉眼观察，主观性较强。柔性可穿戴设备可以将步态量化并分析，使结果更具客观性和真实性。将柔性压电传感器和服装结合的步态识别系统，该系统将柔性传感器嵌入服装中，不仅步态识别效果良好，同时还可以对站立和坐下姿势进行区分;将导电橡胶和柔性基板组装成压敏鞋垫，该鞋垫将步态信号传递给计算机，实现步态分析并能准确地将不同步态区分开来。从这2个例子可以看出，柔性可穿戴设备凭借其延展性良好的特性，将穿戴形式进行了创新，可穿戴设备不仅可以是手环、手表，也可以是鞋垫、衣服。

1.3 吞咽言语监测

吞咽障碍的康复离不开反复的吞咽肌训练及训练后的吞咽功能评估。目前临床上使用的吞咽功能评估金标准是吞咽造影，吞咽造影不仅收费高昂，而且会对患者产生辐射，故而不适合将其作为吞咽功能的常规评定手段。柔性可穿戴设备的研发使无创准确地评估吞咽功能成为可能。

1.4 居家康复

受住院成本、医院床位、康复周期等诸多因素的影响，患者的康复由医院逐渐向社区和家庭延伸。所以居家康复对于整个康复过程至关重要，可穿戴设备则是居家康复中不可缺少的一环。柔性可穿戴设备不仅佩戴舒适，而且还可以同时指导患者进行简单的康复治疗。

2 小结与展望

基于柔性传感器的可穿戴设备具有轻便、舒适、应用范围广等特点，有望取代传统可穿戴设备，并被临床广泛应用，其在临床的应用场景主要包括健康监测、运动监测、吞咽言语监测、居家康复、跌倒预警、智能康复6个方面。在健康监测方面其优势在于监测数据种类多样化;运动监测、吞咽言语监测方面其优势在于高精确度与轻便舒适;居家康复、跌倒预警则需要多学科合作实现监测与数据分析传输的同步化;智能康复方面则主要利用了柔性材料的高延展性，实现运动意图识别与感觉的模拟与传输。虽然在过去数年中，基于柔性传感器的可穿戴设备取得了不错的研究进展，但同时也面临着巨大的挑战：（1）柔性材料本身存在不可避免的共性问题———蠕变特性，即在应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象，这说明柔性传感器可能存在耐久性不高的问题;（2）高精确度与大检测范围的矛盾;（3）在保证舒适性的基础上，设备与皮肤的锚定性难以保证，在大幅度运动时设备可能出现贴合度欠佳从而出现测量精确度下降等问题;（4）续航性差：随着可穿戴设备的轻便化，其电源也需要变得越来越小、能量密度越来越高，传统的供电系统很难满足需求;（5）成本较高。因此，对于柔性可穿戴设备的研究仍任重而道远，未来的关注点可聚焦于材料创新与自供电系统的研发上，争取早日实现临床应用。

参考文献：

[1]何宏瑾，王跃林.柔性可穿戴生命体征传感器的研究进展[J].传感器与微系统，2018，37（7）：1-6，14.

[2]欧国维，蒙山.基于多传感器融合的老人跌倒检测[J].微型电脑应用，2020，36（1）：149-153.

（作者单位：河南羲辰信息科技有限公司）