老年人髖關節防護氣囊發展現狀及關鍵技術

屈純 常智俐 楊威 姚俊

(湖北航天化學技術研究所 應急救生與安全防護湖北省重點實驗室 航天化學動力技術重點實驗室，湖北 襄陽 4414003)

隨著社會經濟發展和醫療水平提高，人群期望壽命越來越高，人口不斷老齡化，人們越來越關注老年人的健康及生活質量。在影響健康的因素中跌倒由于發生率高、后果嚴重及其疾病負擔巨大，不論是在發達國家，還是在發展中國家均已證明是一個威脅老年人生命和健康的重要原因，已成為老年人傷害致死的首位死因〔1〕。如何降低或者消除老年人的跌倒傷害及對老年人進行有效保護，已成為保護老年人的當務之急，特別是對于我國逐步走向老齡化社會來說這點非常有必要。

1 老年人髖關節防護氣囊的發展概況

1.1老年人髖關節防護的需求 據央視新聞頻道報道，在我國每年有4 000萬65歲以上的老年人意外跌倒。它所造成后果也非常嚴重，老年人意外死亡中2/3都是跌倒所致，75歲以上老年人意外死亡中跌倒占70%〔2，3〕。而在所有的跌倒損傷中，髖關節骨折是危害性最大的，也被成為是“人生最后一次骨折”。因為髖關節骨折后，絕大部分老年人由于身體和高齡原因無法進行手術，無奈只能選擇臥床不起，這樣會造成老年人進一步的功能減退，不久就會死亡〔4～6〕。

如何避免老年人“人生最后一次骨折”悲劇上演，已成為近年來健康養老康復產業關注的焦點〔7，8〕。目前市場上出現的老年人陪護、跌倒檢測、報警與救護產品及醫學上的跌倒干預方法的應用在一定程度上起到了對老年人跌倒救助作用〔9～11〕。然而，這些產品及方法所實現的功能大都是在檢測到人體跌倒后報警，再通過短信、電話或定位等方式，通知外界或家人及時前往求助。由于跌倒已經實際發生，這些產品并未從根本上避免跌倒對老年人所產生的傷害。為解決傳統跌倒防護產品存在的問題，越來越多的科技應對方法被應用到了跌倒防護中，或是通過人體活動干預防止或減少老年人跌倒發生的風險，或是在老年人跌倒落地前對人體進行保護，嘗試從根本上避免或減輕跌倒傷害，該類技術代表了老年人跌倒防護的未來〔12～14〕。

1.2國外髖關節防護氣囊發展現狀 國外對于髖關節防護氣囊的研究，較為知名的有法國Helite公司、美國Active Protective公司、日本的Prop公司、荷蘭WOLK公司和以色列的Hip-Hope氣囊公司，其產品原理較為類似。其中法國Helite公司的髖部腰帶氣囊曾在2018年1月的CES展會上展出，并于2018年上半年小批量供貨于歐洲市場，全球其他區

域尚無法購買；荷蘭WOLK公司也推出一款符合人體工程學的圍裙式髖關節保護氣囊，穿在衣服里面，具有友好的人機交互設計；以色列的Hip-Hope設計成帶狀裝置，包含一組獨特的傳感器和檢測邏輯，一旦檢測到即將撞擊地面，系統可立即激活兩個快速展開的安全氣囊；美國ActiveProtective公司研究的氣囊，出現在2017年的CES展會上，它可以像腰帶一樣戴在衣服上，內置3D運動傳感器，能夠準確檢測非典型運動，并利用冷氣體發生器使氣囊彈出，保護老年人臀部兩側。日本Prop公司對可穿戴氣囊的研究最初見報于2009年，被設計稱背包樣式，當探測器發現穿戴者跌倒時，可以迅速打開氣囊，防護人體的髖部、臀部和后腦部〔14～18〕。見表1，圖1。

表1 國外髖關節防護氣囊產品

圖1 國外髖關節防護氣囊

上述的產品大都還處于研制或者是小范圍試戴、評估階段，僅有法國Helite公司和荷蘭WOLK公司的產品通過其官網在歐洲范圍內銷售，中國大陸地區還無法直接購買。

1.3國內髖關節防護氣囊發展現狀 我國對于這種穿戴式髖關節防護氣囊的研究，起步較晚，目前多在高校和研究所進行；有哈爾濱工業大學、武漢理工大學、浙江大學等〔19～21〕，不過它們的研究多注重跌倒識別和預警，對于穿戴式防護氣囊和充產氣裝置涉及很少。對穿戴式跌倒防護氣囊全系統及其核心部件有深入研究的有香港中文大學和深圳先進技術研究院〔22，23〕，但至今也僅處于試驗階段，未有實物產品(圖2)；深圳先進技術研究院的產品為腰包樣式，不僅可以提供應急防護，還具備儲物等功能(圖3)。

湖北航天化學技術研究所也為老年人的髖關節防護研制了一套智能防護氣囊系統，該系統主要由跌倒預先識別模塊、快速充氣氣源模塊和氣囊/氣囊衣組件3部分構成〔24〕(圖4)。

跌倒預先識別模塊被設計成了腰帶卡扣樣式，可實現插上即開、拔掉即關的功能；氣囊囊體采用聚氨酯(TPU)材料，具備高張力、高拉力、耐老化和耐受性好的特點，整個氣囊經折疊后布置在馬甲下擺的內襯里，穿戴起來輕薄舒適，氣囊展開后從馬甲下擺里伸出，包裹住人體的整個腰部，對髖關節、臀部起到防護作用；快速充氣氣源模塊采用壓縮氣瓶和刺針設計，執行響應時間快，通過密封設計確保安全，氣囊可在200 ms的時間完全展開。

圖2 香港中文大學穿戴式跌倒防護氣囊設計

圖3 深研院穿戴式跌倒防護氣囊產品

圖4 湖北航天化學技術研究所穿戴式跌倒防護氣囊產品

2 關鍵技術

2.1跌倒識別與預警技術 跌倒識別與預警技術在本系統中用以檢測和識別人體是否跌倒，從而決定是否啟動氣囊充氣；又由于髖關節防護氣囊系統的氣囊打開是在人體跌倒但尚未落地之前，而跌倒是人在無意識情況下，人體由站立、平坐或其他姿態快速過渡到躺倒姿態，這一過程發生的時間一般在600～800 ms，因此必須要求跌倒動作識別和預警的時間要快速準確，且是在身體還未著地前就給出準確的預警信號，如圖5所示，跌倒識別與預警必須在T1～T2的時間內做出準確判斷，而這一時間比跌倒發生的總時間更短，一般在500 ms以內，因此該技術屬于髖關節防護氣囊系統中的關鍵技術，也是其難點所在。跌倒事件發生過程中，人體的加速度、速度和角速度等矢量均發生了變化。依據此原理，提取人體的姿態特征(如加速度、角速度、位移、傾角等)參數，對使用者的跌倒狀態進行建模，以此對人體的跌倒進行預警〔25～27〕。跌倒識別與預警技術對于老年人跌倒識別的準確率和誤報率直接決定該產品的可靠性。因此該技術的研發與改進不僅需要在實驗室中進行嚴苛實驗，還要在老年人真實環境中進行數據采集與測試。

WOLK氣囊系統在投放市場前，在實驗室中和現實生活中均進行了各種模擬測試，投放市場后有超過80名老年人佩戴WOLK氣囊系統共同生活超過1 750 d，這些人一般家里或養老院，他們實際的活動數據會對產品本身進行檢驗和優化。法國Helite公司的工程師也針對電子系統對復雜人體運動分析的課題進行了深入研究并通過了大量人體實驗，研發過程工程師記錄了數百次跌倒并監測老年人的情緒，這一時間大約持續了10年；最終還有醫生和護理人員選擇了一個由50例患者組成的小組來測試該產品，最終產品在2018年投放。美國Active Protective自2012年底成立以來，已經籌集了千萬美元用于研發，并在加利福尼亞州北部的一家高級護理機構和美國最大的急癥護理服務提供商進行試點，用于驗證產品可靠性，其中最主要的目的之一就是驗證和完善跌倒識別與預警技術。

2.2高安全性快速充氣氣源技術 高安全性快速充氣氣源是跌倒防護氣囊的核心模塊之一，它負責接收到跌倒預警信號后啟動產氣，并快速將氣體充入事先折疊好的氣囊中，快速打開氣囊包裹住人體髖關節，形成緩沖。老年人髖關節跌倒防護氣囊是人體近身使用的系統，對氣源裝置的要求極高，有其特殊性。由于跌倒發生的時間極短，因此要求發生器的充產氣速度快；同時發生器工作還不能對人體產生傷害和影響，故還要求發生器激發瞬間聲音小、氣體溫度低、氣體無毒害等。這一技術最早源于汽車安全氣囊氣體發生器，但由于汽車上較多使用的煙火式氣體發生器氣體溫度高，存在潛在的風險和隱患，目前國內外采用的高安全性快速充氣氣源大多是壓縮氣瓶，只是打開壓縮氣瓶的方式存在差異，這也是造成氣源充氣時間快慢的根本原因〔28，29〕。

圖5 人體跌倒與氣囊系統工作流程

法國Helite公司的氣囊產品采用火藥力推動刺針的方式打開壓縮氣瓶，其對氣囊的充氣速度極快，時間僅為80 ms；美國Active Protective公司正在研制的產品采用專門研制的冷氣發生器(cold-gas inflator)，可確保氣囊充氣時間小于300 ms；日本PROP氣源打開采用火藥熔穿的方式，氣囊充氣時間約為120 ms；香港中文大學和深圳先進技術研究院采用的是電機驅動刺針的方式，氣囊充氣時間在400 ms左右。安全快速的充氣氣源技術是確保髖關節防護氣囊可靠性的另一個關鍵技術，在人體跌倒時間較短的事實情況下，氣源對氣囊的充氣時間越短，預留給跌倒識別和預警的時間就越長，相對來講，跌倒預警的準確率會越高，誤報率也會顯著下降。

3 未來研究和發展趨勢

在全球范圍內，目前已投放市場和正在研制過程中的髖關節防護氣囊產品，在功能上均是實現跌倒動作預警和氣囊防護，少數產品具備與手機APP互聯功能，可實現跌倒報警和信息分享。

隨著我國醫療大數據和健康產業的發展，未來髖關節防護氣囊產品可以集成更多的穿戴式健康數據監測功能，例如，血壓、心率的實時監控等，實現對老年人身體功能與健康狀況的隨時監測和管理，并對他們未來的健康狀態進行預測，對老年人日常生活習慣、飲食與運動提出指導和建議。髖關節防護氣囊產品還可以集成GPS定位，并進行信息共享，實現跌倒預警與醫院、社區、家人聯動。一旦系統檢測到老年人跌倒，若跌倒傷害較為嚴重，立刻將跌倒位置發送到醫院、社區康養機構和家屬對應的信息平臺，以便實現更加快速有效的救助。另外，未來跌倒防護氣囊的防護范圍將不僅僅局限于髖關節防護，可以拓展到更多的部位，以氣囊衣的形態，在人體頭部、頸部、肩背部、髖部、臀部等關鍵部位均設置氣囊，實現對老年人上肢體的全方位防護。