氣囊式防摔倒智能服裝降低老年人跌傷風(fēng)險(xiǎn)的研究分析

鄔佳妮，周冬梅，胡鉅濤，陳紅霞，施 宇

（上海健康醫(yī)學(xué)院，上海201318）

隨著人們生活質(zhì)量和健康水平持續(xù)提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及醫(yī)療保健事業(yè)前進(jìn)上升，人類(lèi)的平均壽命在逐漸延長(zhǎng)，老年人口不斷增多是必然趨勢(shì)。截至2018年，中國(guó)65歲及以上人口規(guī)模為16 658萬(wàn)人，占11.9%，老年人口數(shù)量世界排名處于首位，相比1953年，增加了將近6倍[1]。跌倒是指人受到外力的沖擊或自身平衡力的失調(diào)，打破了人體下肢步態(tài)的運(yùn)動(dòng)頻率，導(dǎo)致軀干出現(xiàn)突發(fā)、不自主的、非故意的體位改變，摔倒在地上或更低的平面上的現(xiàn)象[2]。

中國(guó)60歲以上老年人意外傷害的首要因素為跌落，占比為59.92%[3]。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查[4]顯示，跌倒是全球老年人面臨的主要健康問(wèn)題，跌傷是世界各地意外或非故意傷害死亡的第二大原因，在致命的跌傷中，65歲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]，雖然骨折本身不一定威脅老人的生命，但老人在受傷后活動(dòng)能力下降并長(zhǎng)期臥床，易發(fā)生肺炎、壓瘡和靜脈炎等嚴(yán)重并發(fā)癥，死亡率較一般骨折者高。氣囊式防摔倒智能服裝主要通過(guò)彈出的氣囊形成緩沖對(duì)老年人起到保護(hù)作用而減輕跌倒損傷。本文主要采用分析法，將從防摔服的設(shè)計(jì)使用、原理結(jié)構(gòu)等方面來(lái)分析其降低老年人跌倒受傷風(fēng)險(xiǎn)的能力。

1 氣囊式防摔倒智能服裝的設(shè)計(jì)

1.1 氣囊式防摔倒智能服裝應(yīng)具備的基本結(jié)構(gòu)

氣囊式防摔倒智能服裝的主要部分為氣囊裝置。氣囊裝置的基本作用機(jī)理是在感知到危險(xiǎn)時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)的氣體迅速釋放，充滿(mǎn)氣囊，氣體形成的保護(hù)區(qū)增加了緩沖面積，減少了跌倒碰撞所帶來(lái)的沖擊力，以此來(lái)保護(hù)使用者。

1.1.1 氣囊的充氣裝置

氣囊充氣分為人工充氣和自動(dòng)充氣兩種，人工充氣顧名思義是需要人為吹氣或者通過(guò)充氣管注入空氣；自動(dòng)充氣則是內(nèi)置高壓氣瓶，需要時(shí)釋放對(duì)氣囊進(jìn)行充氣。有學(xué)者曾通過(guò)高速動(dòng)態(tài)記錄儀測(cè)量模擬人體跌倒所發(fā)生的時(shí)間，該過(guò)程大概需要0.8 s[6]。法國(guó)Helite公司所研發(fā)的HELITE Hip Air防摔氣囊可以在0.2 s內(nèi)檢測(cè)到跌倒的發(fā)生，在80 ms內(nèi)完成充氣過(guò)程。日本Prop公司發(fā)明了一種能防止老年人摔倒后受傷的安全氣袋[7]，這種氣袋測(cè)出使用者正在朝地面加速傾倒的話，就會(huì)在1/10 s的時(shí)間內(nèi)充氣。國(guó)內(nèi)蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司所生產(chǎn)制造的老仁“不怕摔”智能防摔氣囊在檢測(cè)到跌倒這一行為后，能在0.18 s內(nèi)迅速打開(kāi)氣囊起到保護(hù)作用，打開(kāi)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于人體跌倒所需要的時(shí)間。

1.1.2 氣囊的啟動(dòng)裝置

氣囊的啟動(dòng)裝置包括手動(dòng)和自動(dòng)啟動(dòng)，手動(dòng)啟動(dòng)需要人為打開(kāi)啟動(dòng)充氣閥，釋放微型高壓氣瓶氣體實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能，這種設(shè)置一般應(yīng)用于救援類(lèi)服裝。自動(dòng)啟動(dòng)則是安全氣囊傳感器接收撞擊信號(hào)，只要達(dá)到特定的強(qiáng)度，傳感器即產(chǎn)生動(dòng)作并向電子控制器發(fā)出信號(hào)，氣瓶立即釋放氣體進(jìn)行充氣。中國(guó)廣州市信安智囊科技有限公司所生產(chǎn)的老人防摔氣囊腰帶就是使用了One-PieceWoven（OPW）囊袋織造技術(shù)，內(nèi)置惰性壓縮氣瓶，落地時(shí)自動(dòng)感應(yīng)釋放氣瓶進(jìn)行充氣。

1.1.3 體征監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)

體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)穿著者的呼吸、心跳、脈搏、體溫等生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以隨時(shí)查看老年人的身體健康狀態(tài)，記錄身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)，指標(biāo)不正常時(shí)自動(dòng)預(yù)警。現(xiàn)如今主要基于Micro-Electro-Mechanical System（MEMS）慣性傳感器[8]來(lái)實(shí)現(xiàn)的可穿戴式傳感技術(shù)比較常見(jiàn)。MEMS也就是微機(jī)電系統(tǒng)，指尺寸為幾毫米或更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為微米甚至納米量級(jí)，是獨(dú)立的智能系統(tǒng)。市場(chǎng)上的許多品牌防摔服都利用了可穿戴傳感技術(shù)，它可以起到實(shí)時(shí)身體監(jiān)測(cè)作用，確保在使用者發(fā)生意外情況時(shí)及時(shí)預(yù)警，發(fā)出求救。蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司所研發(fā)的老仁“不怕摔”智能防摔氣囊，配備可穿戴設(shè)備，并配有手機(jī)APP軟件遠(yuǎn)程連接支持，提供預(yù)警、健康數(shù)據(jù)顯示等功能。

1.1.4 跌倒檢測(cè)系統(tǒng)

已有的跌倒檢測(cè)方案大致分為基于視頻、聲學(xué)等人體周?chē)h(huán)境信息和基于穿戴式的跌倒檢測(cè)[9]?；谝曨l、聲學(xué)等人體周?chē)h(huán)境信息的檢測(cè)包括基于視頻的圖像傳感器、基于音頻的聲音傳感器、基于無(wú)線和電磁波的傳感器。穿戴式的跌倒檢測(cè)主要是通過(guò)佩戴小的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，包括慣性傳感器、基于加速度傳感器、基于傾角傳感器、基于壓力傳感器和多傳感器并存?？纱┐魇降牡箼z測(cè)系統(tǒng)是目前研究的主要趨勢(shì)[10]，加速度傳感器通過(guò)佩戴于穿著者身上來(lái)獲取人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這是目前比較常用的跌倒檢測(cè)方式。日本早稻田大學(xué)的TOSHIYOT等人[11]在2011年開(kāi)發(fā)出一種可穿戴式安全氣囊，其跌倒檢測(cè)系統(tǒng)以加速度和角速度信號(hào)作為氣囊觸發(fā)器信號(hào)，能在跌倒前300 ms觸發(fā)氣囊膨脹。

1.1.5 服裝材質(zhì)

氣囊式防摔倒智能服裝的材料結(jié)構(gòu)大致分為核心緩沖材質(zhì)和表層材料。緩沖層材質(zhì)主要用于吸收外部沖擊力量，形成緩沖，降低或者分流壓力。如今可用于吸收能量起緩沖作用的材質(zhì)主要包括硬質(zhì)分流型、軟質(zhì)吸能型、硬-軟組合型防護(hù)三種[12]。其中防護(hù)性能最為理想的是硬-軟組合型材質(zhì)，其外層為硬殼，軟質(zhì)內(nèi)層，可以分流作用壓力保護(hù)骨骼。國(guó)外就曾有學(xué)者利用此結(jié)構(gòu)制成髖骨保護(hù)器[13]，外部采用剛硬材質(zhì)，內(nèi)層采用的柔軟聚氨酯材料可以降低將近75%的外部沖擊力。軟質(zhì)結(jié)構(gòu)材料吸能也相對(duì)比較常見(jiàn)，如使用質(zhì)地較軟的聚乙烯材質(zhì)，它具有優(yōu)良的耐低溫性能且化學(xué)穩(wěn)定性好，減少?zèng)_擊所產(chǎn)生的碰撞力。而硬質(zhì)分流就相對(duì)沒(méi)有那么主流，其不僅舒適性差、柔韌性差，也不利于在日常生活中使用，因此國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。此外，因?yàn)槭欠浪ゎ?lèi)服裝，其表層材料的耐磨性顯得格外重要，例如尼龍、牛津布、合成纖維等這種耐磨材料就比較適合。

1.2 氣囊式防摔倒智能服裝的穿著情景

此類(lèi)產(chǎn)品適用于日常生活，對(duì)老年人時(shí)刻起到保護(hù)和降低跌倒受傷風(fēng)險(xiǎn)作用。因?yàn)橄鄬?duì)于其他人群，老年人常會(huì)伴有一些老年綜合征，包括老年性骨質(zhì)疏松、日?；顒?dòng)能力下降等，還有一些帶有一些基礎(chǔ)性疾病，可能發(fā)生意外跌傷。有需要的康復(fù)機(jī)構(gòu)、手術(shù)后處于恢復(fù)期的易摔人群也可使用。馬術(shù)、摩托車(chē)職業(yè)選手等也常使用氣囊防摔服來(lái)保證安全。

2 氣囊式防摔倒智能服裝的作用

2.1 髖部防護(hù)結(jié)構(gòu)

髖部的常見(jiàn)骨折類(lèi)型主要包括股骨頸骨折、股骨粗隆間骨折和盆骨骨折。就股骨頸骨折而言，不同部位損傷造成的骨折嚴(yán)重程度也不盡相同。通常情況下股骨頸骨折線部位越高，對(duì)于股骨頭血運(yùn)的破環(huán)就越嚴(yán)重，發(fā)生缺血壞死的可能性就越高。因此，防摔服的結(jié)構(gòu)要求髖部需緊貼股骨頸、股骨大轉(zhuǎn)子部位，緊貼大腿保護(hù)，這樣很大程度上有利于減少風(fēng)險(xiǎn)。目前，業(yè)內(nèi)公認(rèn)馬蹄形髖關(guān)節(jié)保護(hù)器對(duì)該部位保護(hù)效果最好。法國(guó)Helite公司所研發(fā)的HELITEHip Air穿戴式安全氣囊是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)老年人的氣囊防摔服裝產(chǎn)品[14]，此款產(chǎn)品主要以保護(hù)臀部為主，它的兩邊都設(shè)計(jì)為類(lèi)似于馬蹄形的水滴形狀。該產(chǎn)品的運(yùn)算系統(tǒng)使用不同類(lèi)型的傳感器，如陀螺儀和加速計(jì)來(lái)計(jì)算各種環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)拱l(fā)生時(shí)臀部的安全氣囊能在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到下降，并完成自動(dòng)充氣膨脹，起到保護(hù)作用。有學(xué)者曾設(shè)計(jì)了一款可穿戴式安全氣囊并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示[15]，比起不穿氣囊防護(hù)裝備，穿上緩沖安全氣囊的防護(hù)裝備時(shí)，髖骨所受到的沖擊力減少了70%，峰值壓力降低為3.32 kN，能量吸收減少了83.8%。髖骨骨折時(shí)由于吸收了超過(guò)其所能承受的最大范圍的能量，而氣囊可以吸收一部分作用于髖骨的能量，從而降低損傷，也證明了氣囊對(duì)于髖骨的防護(hù)作用。

2.2 胸腰椎防護(hù)結(jié)構(gòu)

跌倒時(shí)由于重力不穩(wěn)，人后傾時(shí)常常會(huì)導(dǎo)致胸腰椎骨折，跌倒是導(dǎo)致胸腰椎骨折的主要因素。胸腰椎骨折好發(fā)于T11～L2椎體，骨折類(lèi)型以爆裂性骨折為主。老年人身體機(jī)能衰退，其椎間盤(pán)的含水量急劇下降，髓核發(fā)生退變，因而負(fù)荷緩沖和負(fù)荷承載能力降低，椎間盤(pán)的退變?cè)斐闪俗刁w骨皮質(zhì)應(yīng)力載荷增加，這是導(dǎo)致老年人胸腰椎好發(fā)骨折的重要原因[16]。脊柱受到壓縮力、屈曲力等暴力壓迫椎骨，導(dǎo)致骨折。椎骨周?chē)募∪廛浗M織有一定緩沖作用，但由于摔倒碰撞時(shí)沖擊力過(guò)大，僅依靠肌肉組織來(lái)保護(hù)骨骼是不夠的[17]。防摔服的背部采用貼合材料設(shè)計(jì)，增加緩沖面積，可以起到分流沖力、碰撞力的作用。有研究表明[18]，胸部變形量是評(píng)判胸部損傷的有效指標(biāo)。碰撞過(guò)程中由于某個(gè)部位的急速集中受力導(dǎo)致了損傷的發(fā)生，為了減少碰撞的沖擊力，需使用氣囊等防護(hù)材料對(duì)骨骼進(jìn)行防護(hù)。意大利Dainese品牌旗下的D-air氣囊系統(tǒng)，契合了人體工學(xué)設(shè)計(jì)，發(fā)生碰撞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)在騎手的鎖骨、肋骨和軀干周?chē)蛎?，彈出的氣囊可以很大程度地增加緩沖面積，以對(duì)脊柱、腰椎等部分起到保護(hù)作用，減少跌倒受傷風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 橈骨防護(hù)結(jié)構(gòu)

橈骨遠(yuǎn)端骨折根據(jù)不同的受傷機(jī)理可以分為Colles骨折、Smith骨折和Barton骨折[19]。Colles骨折是橈骨遠(yuǎn)端骨折中最常見(jiàn)的，又稱(chēng)為稱(chēng)伸直型橈骨遠(yuǎn)端骨折。它的受傷發(fā)生機(jī)制多為平地跌倒，在跌倒時(shí)，人的手會(huì)不由自主地?fù)巫〉孛?，?dǎo)致暴力集中于橈骨遠(yuǎn)端疏松部位，從而發(fā)生骨折[20]。老年人多伴有老年性骨質(zhì)疏松，更易發(fā)生橈骨遠(yuǎn)端骨折。因此，當(dāng)防摔服氣囊彈出時(shí)，其外部較硬耐磨材質(zhì)和內(nèi)層柔軟材質(zhì)可以形成有效緩沖，使得暴力分流和吸收，減少對(duì)于人體的傷害，降低跌倒受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

3 氣囊式防摔倒智能服裝的市場(chǎng)應(yīng)用

3.1 國(guó)外氣囊式防摔倒智能服裝產(chǎn)品現(xiàn)狀

日本hit-air是研究氣囊服裝最早的品牌公司，于1995年開(kāi)始潛心研發(fā)安全氣囊馬甲，通過(guò)不斷地研究開(kāi)發(fā)以及測(cè)試在1998年正式開(kāi)發(fā)出世界上第一款“可以穿的安全氣囊”——hit-air充氣式護(hù)甲[21]。該品牌服裝范圍應(yīng)用很廣，最早應(yīng)用于馬術(shù)方面，后被各個(gè)國(guó)家廣泛應(yīng)用，范圍也拓展到摩托、消防、救援等。其生產(chǎn)的一款Hit-air Airbag System摩托車(chē)騎行用氣囊防護(hù)服有一根保險(xiǎn)銷(xiāo)連接器可以拉出并啟動(dòng)夾克的充氣控制單元，當(dāng)充氣中心充氣膨脹時(shí)可以吸收碰撞沖擊力，預(yù)防或減少外部對(duì)身體的傷害，且其中主體“空氣墊”還可以保持穿著者的脊柱固定，減少脊柱損傷的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)外對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品的研究起步較早，技術(shù)相對(duì)系統(tǒng)成熟，已經(jīng)有了一定的規(guī)模。他們的產(chǎn)品研究方向主要集中在馬術(shù)、摩托車(chē)等行業(yè)，但是近年來(lái)也有針對(duì)于日常防護(hù)服的研究。

3.2 國(guó)內(nèi)氣囊式防摔倒智能服裝產(chǎn)品現(xiàn)狀

蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司所研發(fā)的老人“不怕摔”智能防摔氣囊，是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)老年人所使用的氣囊防摔服產(chǎn)品。穿著此款服裝時(shí)需要扣在腰部位置，在識(shí)別到人有摔倒傾向后，腰帶內(nèi)的安全氣囊能在0.18 s內(nèi)彈出打開(kāi)，減少90%以上的落地沖擊。該產(chǎn)品還配備監(jiān)護(hù)APP功能，在APP上可以隨時(shí)遠(yuǎn)程查看老人的健康狀態(tài)和身體數(shù)據(jù)。當(dāng)老人發(fā)生跌倒?fàn)顩r時(shí)，APP會(huì)立即遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警且會(huì)及時(shí)將老人所在位置通過(guò)后臺(tái)通知子女?？偟膩?lái)說(shuō)，這款防摔服功能比較完善，可大大降低老年人跌倒受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 前景展望

該類(lèi)產(chǎn)品在中國(guó)的普及程度依然比較低。實(shí)用性方面，許多氣囊式防摔服都是一次性產(chǎn)品，有些可以重復(fù)使用，但是很難不造成磨損，因此需要不斷提升材質(zhì)的性能，增加耐磨程度，提高其實(shí)用性。價(jià)格方面，由于這類(lèi)防摔服裝產(chǎn)品的成本比較高，造價(jià)比較昂貴，許多人不愿意去主動(dòng)購(gòu)買(mǎi)。安全性方面，雖然人們現(xiàn)在普遍比較注重健康安全問(wèn)題，但是中國(guó)氣囊防摔服的市場(chǎng)還不夠成熟，這種需要帶有可穿戴電子設(shè)備的氣囊防摔服，人們普遍會(huì)擔(dān)心其是否存在輻射或者漏電等安全隱患問(wèn)題[22]。今后在產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，應(yīng)在不斷研究提高產(chǎn)品性能，提高靈敏性和準(zhǔn)確度，保證功能前提下控制成本造價(jià)，提高安全性，有助于市場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大。

4 小結(jié)

在當(dāng)今老齡化背景下，老年人口數(shù)量不斷增加，老年人跌倒發(fā)生率不斷增加。老年人跌倒后骨折面臨著更大的健康風(fēng)險(xiǎn)，跌倒后的后遺癥、癱瘓等很大程度影響到了其日常生活，因此，預(yù)防顯得格外重要。氣囊式防摔智能服裝作為一款預(yù)防老年人跌倒、減少其受傷風(fēng)險(xiǎn)的功能性服裝，因其具有跌倒感知預(yù)測(cè)系統(tǒng)、氣囊保護(hù)系統(tǒng)和特有的材質(zhì)面料設(shè)計(jì)，并能實(shí)時(shí)發(fā)送危險(xiǎn)預(yù)警，可以有效降低老年人意外受傷的風(fēng)險(xiǎn)。