可穿戴設備應用康復醫學的研究

文/黃小民

可穿戴設備就是將具有各種可穿戴技術和功能的電子設備嵌入日常穿戴中，方便人們的日常生活。谷歌眼鏡問世后，緊隨其后涌現出功能豐富、形態多樣涵蓋社交、娛樂、教育、健康等多個方面可穿戴設備，醫療健康應用最為顯著，據艾媒一個移動醫療市場的分析報道，2016年底中國移動醫療市場超74.2 億元，2018年的規模已經達到184.3 億[1]。隨著可穿戴技術的迅猛發展，各類穿戴設備在健康、家居以及通訊等領域越來越多的應用，康復醫學方面也越來越多介入其中。康復不僅利用醫學措施而且還要協調各種社會及教育措施，以便實現對康復患者進行功能障礙方面的訓練，使其功能能力達到盡可能高的水平，以減輕病患程度，康復醫學就是一門研究一系列有關功能障礙康復的學科[2]。傳統的康復和治療主要是由康復師和康復醫師為主導，相對于可穿戴康復醫學設備來說還是有相當的局限性、主觀性和不準確性，影響康復效果。

1 基于大數據的可穿戴醫療設備

隨著可穿戴技術的發展，可穿戴設備種類越來越多，按功能包括信息咨詢、健身、保健及娛樂等；按身體位置頭部有頭盔、眼鏡、手環、臂環、戒指及各種掛件等，下肢有鞋類等，身體有服飾等等，人體全身基本都可以使用可穿戴醫療設備。為滿足先進的醫療功能又要給使用者最舒適便捷的感受，可穿戴醫療設備不僅使用了當今最前沿的傳感和信息傳輸、處理技術，而且還使用最先進的材料包括織物材料和電路設計。可穿戴設備依托各種智能技術、軟件采用大數據交互、云端交互，采集并存儲使用者的各種醫療檢測數據并同時進行動態監測，通過互聯網信息傳輸和處理技術，對收集的全部信息進行在線分析和離線記錄[3]等等智能管理和使用。涂子沛[4]在《大數據》中說，在經過集成、分析整理這些海量數據而挖掘出新的價值，形成“大知識”，這就是大數據的意義所在。可穿戴醫療設備的大數據包括所有醫療信息和移動監測信息，基于大數據的可穿戴醫療設備就相當于一個健康服務平臺系統，這個系統由數據感知存儲層、數據網絡傳輸層及數據應用層構成：

（1）其中數據感知存儲層就是采集所有信息以及預處理，這些信息包括用戶歷史就診、檢查、治療信息及用戶使用可穿戴醫療設備后的實時更新的一系列信息；

（2）先進的通信技術可將海量信息無線數據傳輸功能發揮極致，是可穿戴醫療設備的關鍵技術，也是數據網絡傳輸層的基礎，將采集到的歷史和實時信息傳輸到云端計算，其結果又可及時反饋給用戶及可穿戴醫療設備上，可穿戴醫療設備主要使用藍牙和 Zig Bee 等技術；

（3）數據應用層就是通過前兩層的信息收集預處理和傳輸，對各種信息及時響應并作出分析，形成一個多維數據庫，為用戶健康和進一步的醫療方案提供有利的支撐數據，讓可穿戴醫療設備用戶獲得個性化健康終端服務。

2 可穿戴醫療設備優勢

隨著我國逐漸步入老齡化社會，社會醫療需求與醫療資源供給之間矛盾加劇，西部和偏遠地區尤為嚴重，這種矛盾不僅給移動醫療帶來挑戰，而且帶來機遇，大數據的大發展以及移動互聯技術為可穿戴醫療設備的應用提供了必要條件。糖尿病、心腦血管等老年病、慢性病人除到醫院就診外，還可在醫院之外進行可穿戴式遠程監測醫療方式，遠程調整治療方案及給藥。

2.1 實時動態獲取健康監測數據

可穿戴醫療健康設備能夠為用戶提供實時健康監測數據，讓用戶實時了解個人身體健康狀況。由于可穿戴醫療健康設備不一定要去醫院就能實現實時檢查和測量，節省用戶的使用成本和時間成本，尤其適合當前醫療領域在慢性病管理的應用。

2.2 減少住院治療，降低醫療成本

基于可穿戴醫療健康設備在康復醫療的應用，醫療機構將可以更好的整合醫療資源，為用戶提供更便捷的康復醫療服務。可穿戴醫療健康設備的即時性，為醫療機構調配醫療資源提供重要的參考支撐，相對現階段康復治療，醫生可根據可穿戴醫療健康設備的反饋實現即時上門或遠程會診，大大降低醫患兩方的治療成本。

2.3 醫療大數據

可穿戴醫療健康設備的進一步應用，能實時監控和傳輸、分析用戶健康數據，為醫療衛生機構和部門的相關應用提供可信的基礎。醫療大數據不僅將為醫藥研產業鏈上的相關企業和國家衛生部門的科學決策提供依據，將可實現為用戶提供診斷、監測、干預一體化的服務，為用戶提供最便捷和切實的移動醫療健康福利，大大提升康復治療效率。

3 可穿戴設備在康復醫學領域的應用

康復工程服務的基本對象包括：

（1）肢體運動功能障礙，包括截肢、腦癱、偏癱、截癱、腦外傷、多發性硬化、肌肉萎縮等引起的肢體運動功能障礙。

（2）腦功能障礙，主要包括先天性腦病、腦損傷和老年性腦病。

（3）感官功能障礙。包括先天、后天疾病引起的視覺、聽覺障礙。

（4）言語交流功能障礙．包括先天、后天疾病引起的言語功能障礙[5]。

3.1 肢體運動功能障礙方面

虛擬技術是仿真技術與計算機等技術的完美結合形成的三維動態視景，具有高度的真實感和多感知性，虛擬技術備受虛擬現實設備青睞，對Oculus Rift 和 HTC VIVE 來說，后者采用激光掃描定位自由移動的范圍比前者的要大了許多，能達到1.94mm 定位精度，它的沉浸感和互動性是行業標桿[6]。陳東林[7]等將HTC VIVE 技術創新于上肢康復，可以根據訓練者的訓練和康復進展情況，實時監測患肢各種信息，并能實時提供運動者的高仿真三維動態軌跡圖，大大提高康復訓練的效果。

雙手在人類日常生活中有重要意義，腕關節又是人體復雜的力學關節之一，對手做屈、伸、收、展以及環轉運動功能起到關鍵作用，因此監測腕關節的運動狀態有重要的實際應用價值。為解決難以在柔性康復機器人上安裝角度傳感器的問題，李敏[8]等設計了一種柔性可穿戴的腕關節掌屈運動角度傳感器，該傳感器具有對溫度不敏感，不受電子干擾，成本低，不干擾柔性驅動器工作的優點，能夠實現實時角度監測，與驅動器組成閉環控制，非常實用。

外骨骼機器人被定義為提供保護和支持的一個硬的外置結構，目的就是為康復患者增強物理能力，主要有基于跑步機和著地康復訓練外骨骼機器人以及助行外骨骼機器人[9]。電子科技大學機器人研究中心主任程洪團隊研發出最新版外骨骼機器人，能夠讓脊髓受損的患者直立行走[10]。

動力型下肢假肢的發展使穿戴者進行跑動運動成為可能，因此對假肢穿戴者跑動意圖識別的研究十分關鍵。在國外，智能假肢性能不斷提高，相應產品及樣機的功能逐漸完善。比如德國Genium 仿生肢體、冰島PowerKnee 義肢等，在運動狀態識別、人機交互、能量效率等方面各有特色，尤其是 Genium X3 的智能仿生膝關節，不僅實現不同步速下的行走與跑動，而且克服了其他智能假肢無法在水中運行的缺點。此外，Shultz[11]等一直致力于下肢假肢跑動模式控制方法的研究，基于行走和跑動的靈活變化而制出這種跑動運動控制器[12]。

3.2 腦功能障礙方面

據2017年發布的《《中國腦卒中防治報告2016》概要》中報道，每5年一次的國家衛生服務調查顯示，我國卒中患病率由1993年的0.40% 上升至2013年的1.23%，患病率持續增加[13]。腦卒中經過醫療和康復治療后仍然面臨長期的機能功能障礙而影響生活，后續還存在大量的康復治療和服務需求。

手功能障礙是常見的腦卒中后遺癥之一，嚴重的影響到患者的日常生活。目前患者手功能的康復多依賴于治療師的指導，此外，訓練內容多較為重復、枯燥。手部可穿戴設備康復訓練方法豐富、靈活而且各部分功能更精準，更有利于患者的康復。由于手部運動由各個手指配合完成，包括抓握、側捏、對捏等多種功能姿勢，在使用傳感器進行監測時，對傳感器的精確度要求較高。隨著可穿戴技術的發展，近年來傳感器的精確度以及體積達到了可用于手功能康復評估與治療的水平，可穿戴設備在手功能的康復領域的應用逐漸成為了熱門。Bianchi 等[14]通過一種可穿戴手套，對腦卒中患者的手部活動進行三個關節活動度的精確測量，可以重建出患者完整的手部姿勢，實時對患者的康復與評估進行記錄和反饋。

腦卒中康復患者主要就是針對步行功能的訓練，腦卒中后3 個月仍有20%的患者需要使用輪椅，60%的患者存在步行功能障礙。步行功能的障礙或者不正確的步態將影響患者獨立進行日常活動的能力，并且影響患者心血管的健康，步態的分析與訓練將促進患者日常活動的參與，并有助于提高生存質量。Dragin[15]等研發了一種用于步態訓練的姿勢輔助系統，，該系統通過一個連接動力滾動助行器和患者下肢的可穿戴設備為患者提供身體姿勢支撐和軀干定向，可以幫助患者在腦卒中后康復早期就開始進行步態訓練[16]。

帕金森病是最常見的神經退行性疾病之一，患病率高，病程長，并伴有多種并發癥，需要長期采用以運動療法為主的綜合康復治療，所以運動癥狀監測是帕金森病康復評定的關鍵。對此，國內外都有針對性的設計帕金森病可穿戴設備，Patel[17]等設計出能采集病人身體三個部位加速度運動信號的有線穿戴式設備；Mera[18]等側重對病人深度腦刺激參數進行監測優化指導，設計出戴在指尖的運動監測設備；汪豐[19]運用ZigBee 和MPU6050 對病人步行運動數據采集和定量分析；李亮等研制了一套用于帕金森病定量評估的多節點運動信息監測可穿戴設備，采用五個微型傳感器節點實現上、下肢和腰部的多身體部位運動信息同步監測[20]。

3.3 視聽功能障礙方面

助聽器主要有耳背式助聽器和耳內式助聽器，基本上已經完全數字化，可穿戴助聽器完全可以讓聽力患者和正常人一樣自信，Rondo Maestro CI 助聽器是一款植入式助聽器，要在患者大腦皮層植入接收芯片把信號轉換為脈沖信號以便傳給大腦，外部設備夾與頭發中而實現聽力功能；Microsoft 團隊正在著手研發一款名為“Alice Band”的可穿戴視力增強設備，它采用回聲定位原理，能夠將聲波轉化成為視覺信號幫助患者清晰“看到”前方的障礙物[21]。據報道，浙大一科研團隊正在研發一款適合盲人、視障病人佩戴的眼鏡，戴上它之后就能感知到身邊的桌子椅、紅綠燈、來往的車輛，科技的進步為視聽障礙者帶來了希望。

3.4 言語交流功能障礙方面

言語交流障礙是指先天或后天利用語言交流過程中出現的言語功能障礙，比如聾啞人，或腦卒中言語功能障礙者。東北大學三名學生研發出一種“手語轉換發聲”手環，通過連接服務器可以讓手語發聲，并把外界語音轉化為文字，實現聾啞人和外界的無障礙溝通。通過連接服務器把手語動作轉化為語句，同時還可以把外界語音轉化為文字。相對于傳統的手語方法，可避免遮擋、干擾和手指細微動作無法捕捉等嚴重缺陷，在便攜實用的同時，保證了識別的實時性和準確性[22]。

4 小結

在移動智能時代，可穿戴設備是在智能、生物及技術基礎上的創新，旨在提升和補充醫療資源的不足，更好為社會醫療健康服務。隨著可穿戴技術的不斷創新，可穿戴設備逐漸在康復醫學領域廣泛應用，必將影響康復醫療的模式并促進其健康發展。