气囊式防摔倒智能服装降低老年人跌伤风险的研究分析

邬佳妮，周冬梅，胡钜涛，陈红霞，施 宇

（上海健康医学院，上海201318）

随着人们生活质量和健康水平持续提高，社会经济以及医疗保健事业前进上升，人类的平均寿命在逐渐延长，老年人口不断增多是必然趋势。截至2018年，中国65岁及以上人口规模为16 658万人，占11.9%，老年人口数量世界排名处于首位，相比1953年，增加了将近6倍[1]。跌倒是指人受到外力的冲击或自身平衡力的失调，打破了人体下肢步态的运动频率，导致躯干出现突发、不自主的、非故意的体位改变，摔倒在地上或更低的平面上的现象[2]。

中国60岁以上老年人意外伤害的首要因素为跌落，占比为59.92%[3]。据世界卫生组织调查[4]显示，跌倒是全球老年人面临的主要健康问题，跌伤是世界各地意外或非故意伤害死亡的第二大原因，在致命的跌伤中，65岁以上的老年人所占比例最大。跌倒是造成老人骨折的主要原因[5]，虽然骨折本身不一定威胁老人的生命，但老人在受伤后活动能力下降并长期卧床，易发生肺炎、压疮和静脉炎等严重并发症，死亡率较一般骨折者高。气囊式防摔倒智能服装主要通过弹出的气囊形成缓冲对老年人起到保护作用而减轻跌倒损伤。本文主要采用分析法，将从防摔服的设计使用、原理结构等方面来分析其降低老年人跌倒受伤风险的能力。

1 气囊式防摔倒智能服装的设计

1.1 气囊式防摔倒智能服装应具备的基本结构

气囊式防摔倒智能服装的主要部分为气囊装置。气囊装置的基本作用机理是在感知到危险时，气瓶内的气体迅速释放，充满气囊，气体形成的保护区增加了缓冲面积，减少了跌倒碰撞所带来的冲击力，以此来保护使用者。

1.1.1 气囊的充气装置

气囊充气分为人工充气和自动充气两种，人工充气顾名思义是需要人为吹气或者通过充气管注入空气；自动充气则是内置高压气瓶，需要时释放对气囊进行充气。有学者曾通过高速动态记录仪测量模拟人体跌倒所发生的时间，该过程大概需要0.8 s[6]。法国Helite公司所研发的HELITE Hip Air防摔气囊可以在0.2 s内检测到跌倒的发生，在80 ms内完成充气过程。日本Prop公司发明了一种能防止老年人摔倒后受伤的安全气袋[7]，这种气袋测出使用者正在朝地面加速倾倒的话，就会在1/10 s的时间内充气。国内苏州衣带保智能技术有限公司所生产制造的老仁“不怕摔”智能防摔气囊在检测到跌倒这一行为后，能在0.18 s内迅速打开气囊起到保护作用，打开的时间远远少于人体跌倒所需要的时间。

1.1.2 气囊的启动装置

气囊的启动装置包括手动和自动启动，手动启动需要人为打开启动充气阀，释放微型高压气瓶气体实现防护功能，这种设置一般应用于救援类服装。自动启动则是安全气囊传感器接收撞击信号，只要达到特定的强度，传感器即产生动作并向电子控制器发出信号，气瓶立即释放气体进行充气。中国广州市信安智囊科技有限公司所生产的老人防摔气囊腰带就是使用了One-PieceWoven（OPW）囊袋织造技术，内置惰性压缩气瓶，落地时自动感应释放气瓶进行充气。

1.1.3 体征监测及预警系统

体征监测系统主要是对穿着者的呼吸、心跳、脉搏、体温等生命体征进行实时监测，可以随时查看老年人的身体健康状态，记录身体各项数据，指标不正常时自动预警。现如今主要基于Micro-Electro-Mechanical System（MEMS）惯性传感器[8]来实现的可穿戴式传感技术比较常见。MEMS也就是微机电系统，指尺寸为几毫米或更小的高科技装置，其内部结构一般为微米甚至纳米量级，是独立的智能系统。市场上的许多品牌防摔服都利用了可穿戴传感技术，它可以起到实时身体监测作用，确保在使用者发生意外情况时及时预警，发出求救。苏州衣带保智能技术有限公司所研发的老仁“不怕摔”智能防摔气囊，配备可穿戴设备，并配有手机APP软件远程连接支持，提供预警、健康数据显示等功能。

1.1.4 跌倒检测系统

已有的跌倒检测方案大致分为基于视频、声学等人体周围环境信息和基于穿戴式的跌倒检测[9]。基于视频、声学等人体周围环境信息的检测包括基于视频的图像传感器、基于音频的声音传感器、基于无线和电磁波的传感器。穿戴式的跌倒检测主要是通过佩戴小的传感器进行数据检测，包括惯性传感器、基于加速度传感器、基于倾角传感器、基于压力传感器和多传感器并存。可穿戴式的跌倒检测系统是目前研究的主要趋势[10]，加速度传感器通过佩戴于穿着者身上来获取人体的运动状态，这是目前比较常用的跌倒检测方式。日本早稻田大学的TOSHIYOT等人[11]在2011年开发出一种可穿戴式安全气囊，其跌倒检测系统以加速度和角速度信号作为气囊触发器信号，能在跌倒前300 ms触发气囊膨胀。

1.1.5 服装材质

气囊式防摔倒智能服装的材料结构大致分为核心缓冲材质和表层材料。缓冲层材质主要用于吸收外部冲击力量，形成缓冲，降低或者分流压力。如今可用于吸收能量起缓冲作用的材质主要包括硬质分流型、软质吸能型、硬-软组合型防护三种[12]。其中防护性能最为理想的是硬-软组合型材质，其外层为硬壳，软质内层，可以分流作用压力保护骨骼。国外就曾有学者利用此结构制成髋骨保护器[13]，外部采用刚硬材质，内层采用的柔软聚氨酯材料可以降低将近75%的外部冲击力。软质结构材料吸能也相对比较常见，如使用质地较软的聚乙烯材质，它具有优良的耐低温性能且化学稳定性好，减少冲击所产生的碰撞力。而硬质分流就相对没有那么主流，其不仅舒适性差、柔韧性差，也不利于在日常生活中使用，因此国内相关研究较少。此外，因为是防摔类服装，其表层材料的耐磨性显得格外重要，例如尼龙、牛津布、合成纤维等这种耐磨材料就比较适合。

1.2 气囊式防摔倒智能服装的穿着情景

此类产品适用于日常生活，对老年人时刻起到保护和降低跌倒受伤风险作用。因为相对于其他人群，老年人常会伴有一些老年综合征，包括老年性骨质疏松、日常活动能力下降等，还有一些带有一些基础性疾病，可能发生意外跌伤。有需要的康复机构、手术后处于恢复期的易摔人群也可使用。马术、摩托车职业选手等也常使用气囊防摔服来保证安全。

2 气囊式防摔倒智能服装的作用

2.1 髋部防护结构

髋部的常见骨折类型主要包括股骨颈骨折、股骨粗隆间骨折和盆骨骨折。就股骨颈骨折而言，不同部位损伤造成的骨折严重程度也不尽相同。通常情况下股骨颈骨折线部位越高，对于股骨头血运的破环就越严重，发生缺血坏死的可能性就越高。因此，防摔服的结构要求髋部需紧贴股骨颈、股骨大转子部位，紧贴大腿保护，这样很大程度上有利于减少风险。目前，业内公认马蹄形髋关节保护器对该部位保护效果最好。法国Helite公司所研发的HELITEHip Air穿戴式安全气囊是一款专门针对老年人的气囊防摔服装产品[14]，此款产品主要以保护臀部为主，它的两边都设计为类似于马蹄形的水滴形状。该产品的运算系统使用不同类型的传感器，如陀螺仪和加速计来计算各种环境中的运动，当跌倒发生时臀部的安全气囊能在短时间内检测到下降，并完成自动充气膨胀，起到保护作用。有学者曾设计了一款可穿戴式安全气囊并做了相关实验，据实验结果显示[15]，比起不穿气囊防护装备，穿上缓冲安全气囊的防护装备时，髋骨所受到的冲击力减少了70%，峰值压力降低为3.32 kN，能量吸收减少了83.8%。髋骨骨折时由于吸收了超过其所能承受的最大范围的能量，而气囊可以吸收一部分作用于髋骨的能量，从而降低损伤，也证明了气囊对于髋骨的防护作用。

2.2 胸腰椎防护结构

跌倒时由于重力不稳，人后倾时常常会导致胸腰椎骨折，跌倒是导致胸腰椎骨折的主要因素。胸腰椎骨折好发于T11～L2椎体，骨折类型以爆裂性骨折为主。老年人身体机能衰退，其椎间盘的含水量急剧下降，髓核发生退变，因而负荷缓冲和负荷承载能力降低，椎间盘的退变造成了椎体骨皮质应力载荷增加，这是导致老年人胸腰椎好发骨折的重要原因[16]。脊柱受到压缩力、屈曲力等暴力压迫椎骨，导致骨折。椎骨周围的肌肉软组织有一定缓冲作用，但由于摔倒碰撞时冲击力过大，仅依靠肌肉组织来保护骨骼是不够的[17]。防摔服的背部采用贴合材料设计，增加缓冲面积，可以起到分流冲力、碰撞力的作用。有研究表明[18]，胸部变形量是评判胸部损伤的有效指标。碰撞过程中由于某个部位的急速集中受力导致了损伤的发生，为了减少碰撞的冲击力，需使用气囊等防护材料对骨骼进行防护。意大利Dainese品牌旗下的D-air气囊系统，契合了人体工学设计，发生碰撞时，系统会在极短的时间内在骑手的锁骨、肋骨和躯干周围膨胀，弹出的气囊可以很大程度地增加缓冲面积，以对脊柱、腰椎等部分起到保护作用，减少跌倒受伤风险。

2.3 桡骨防护结构

桡骨远端骨折根据不同的受伤机理可以分为Colles骨折、Smith骨折和Barton骨折[19]。Colles骨折是桡骨远端骨折中最常见的，又称为称伸直型桡骨远端骨折。它的受伤发生机制多为平地跌倒，在跌倒时，人的手会不由自主地撑住地面，导致暴力集中于桡骨远端疏松部位，从而发生骨折[20]。老年人多伴有老年性骨质疏松，更易发生桡骨远端骨折。因此，当防摔服气囊弹出时，其外部较硬耐磨材质和内层柔软材质可以形成有效缓冲，使得暴力分流和吸收，减少对于人体的伤害，降低跌倒受伤的风险。

3 气囊式防摔倒智能服装的市场应用

3.1 国外气囊式防摔倒智能服装产品现状

日本hit-air是研究气囊服装最早的品牌公司，于1995年开始潜心研发安全气囊马甲，通过不断地研究开发以及测试在1998年正式开发出世界上第一款“可以穿的安全气囊”——hit-air充气式护甲[21]。该品牌服装范围应用很广，最早应用于马术方面，后被各个国家广泛应用，范围也拓展到摩托、消防、救援等。其生产的一款Hit-air Airbag System摩托车骑行用气囊防护服有一根保险销连接器可以拉出并启动夹克的充气控制单元，当充气中心充气膨胀时可以吸收碰撞冲击力，预防或减少外部对身体的伤害，且其中主体“空气垫”还可以保持穿着者的脊柱固定，减少脊柱损伤的风险。国外对这类产品的研究起步较早，技术相对系统成熟，已经有了一定的规模。他们的产品研究方向主要集中在马术、摩托车等行业，但是近年来也有针对于日常防护服的研究。

3.2 国内气囊式防摔倒智能服装产品现状

苏州衣带保智能技术有限公司所研发的老人“不怕摔”智能防摔气囊，是一款专门针对老年人所使用的气囊防摔服产品。穿着此款服装时需要扣在腰部位置，在识别到人有摔倒倾向后，腰带内的安全气囊能在0.18 s内弹出打开，减少90%以上的落地冲击。该产品还配备监护APP功能，在APP上可以随时远程查看老人的健康状态和身体数据。当老人发生跌倒状况时，APP会立即远程自动报警且会及时将老人所在位置通过后台通知子女。总的来说，这款防摔服功能比较完善，可大大降低老年人跌倒受伤的风险。

3.3 前景展望

该类产品在中国的普及程度依然比较低。实用性方面，许多气囊式防摔服都是一次性产品，有些可以重复使用，但是很难不造成磨损，因此需要不断提升材质的性能，增加耐磨程度，提高其实用性。价格方面，由于这类防摔服装产品的成本比较高，造价比较昂贵，许多人不愿意去主动购买。安全性方面，虽然人们现在普遍比较注重健康安全问题，但是中国气囊防摔服的市场还不够成熟，这种需要带有可穿戴电子设备的气囊防摔服，人们普遍会担心其是否存在辐射或者漏电等安全隐患问题[22]。今后在产品研发时，应在不断研究提高产品性能，提高灵敏性和准确度，保证功能前提下控制成本造价，提高安全性，有助于市场进一步发展扩大。

4 小结

在当今老龄化背景下，老年人口数量不断增加，老年人跌倒发生率不断增加。老年人跌倒后骨折面临着更大的健康风险，跌倒后的后遗症、瘫痪等很大程度影响到了其日常生活，因此，预防显得格外重要。气囊式防摔智能服装作为一款预防老年人跌倒、减少其受伤风险的功能性服装，因其具有跌倒感知预测系统、气囊保护系统和特有的材质面料设计，并能实时发送危险预警，可以有效降低老年人意外受伤的风险。