可穿戴设备应用康复医学的研究

文/黄小民

可穿戴设备就是将具有各种可穿戴技术和功能的电子设备嵌入日常穿戴中，方便人们的日常生活。谷歌眼镜问世后，紧随其后涌现出功能丰富、形态多样涵盖社交、娱乐、教育、健康等多个方面可穿戴设备，医疗健康应用最为显著，据艾媒一个移动医疗市场的分析报道，2016年底中国移动医疗市场超74.2 亿元，2018年的规模已经达到184.3 亿[1]。随着可穿戴技术的迅猛发展，各类穿戴设备在健康、家居以及通讯等领域越来越多的应用，康复医学方面也越来越多介入其中。康复不仅利用医学措施而且还要协调各种社会及教育措施，以便实现对康复患者进行功能障碍方面的训练，使其功能能力达到尽可能高的水平，以减轻病患程度，康复医学就是一门研究一系列有关功能障碍康复的学科[2]。传统的康复和治疗主要是由康复师和康复医师为主导，相对于可穿戴康复医学设备来说还是有相当的局限性、主观性和不准确性，影响康复效果。

1 基于大数据的可穿戴医疗设备

随着可穿戴技术的发展，可穿戴设备种类越来越多，按功能包括信息咨询、健身、保健及娱乐等；按身体位置头部有头盔、眼镜、手环、臂环、戒指及各种挂件等，下肢有鞋类等，身体有服饰等等，人体全身基本都可以使用可穿戴医疗设备。为满足先进的医疗功能又要给使用者最舒适便捷的感受，可穿戴医疗设备不仅使用了当今最前沿的传感和信息传输、处理技术，而且还使用最先进的材料包括织物材料和电路设计。可穿戴设备依托各种智能技术、软件采用大数据交互、云端交互，采集并存储使用者的各种医疗检测数据并同时进行动态监测，通过互联网信息传输和处理技术，对收集的全部信息进行在线分析和离线记录[3]等等智能管理和使用。涂子沛[4]在《大数据》中说，在经过集成、分析整理这些海量数据而挖掘出新的价值，形成“大知识”，这就是大数据的意义所在。可穿戴医疗设备的大数据包括所有医疗信息和移动监测信息，基于大数据的可穿戴医疗设备就相当于一个健康服务平台系统，这个系统由数据感知存储层、数据网络传输层及数据应用层构成：

（1）其中数据感知存储层就是采集所有信息以及预处理，这些信息包括用户历史就诊、检查、治疗信息及用户使用可穿戴医疗设备后的实时更新的一系列信息；

（2）先进的通信技术可将海量信息无线数据传输功能发挥极致，是可穿戴医疗设备的关键技术，也是数据网络传输层的基础，将采集到的历史和实时信息传输到云端计算，其结果又可及时反馈给用户及可穿戴医疗设备上，可穿戴医疗设备主要使用蓝牙和 Zig Bee 等技术；

（3）数据应用层就是通过前两层的信息收集预处理和传输，对各种信息及时响应并作出分析，形成一个多维数据库，为用户健康和进一步的医疗方案提供有利的支撑数据，让可穿戴医疗设备用户获得个性化健康终端服务。

2 可穿戴医疗设备优势

随着我国逐渐步入老龄化社会，社会医疗需求与医疗资源供给之间矛盾加剧，西部和偏远地区尤为严重，这种矛盾不仅给移动医疗带来挑战，而且带来机遇，大数据的大发展以及移动互联技术为可穿戴医疗设备的应用提供了必要条件。糖尿病、心脑血管等老年病、慢性病人除到医院就诊外，还可在医院之外进行可穿戴式远程监测医疗方式，远程调整治疗方案及给药。

2.1 实时动态获取健康监测数据

可穿戴医疗健康设备能够为用户提供实时健康监测数据，让用户实时了解个人身体健康状况。由于可穿戴医疗健康设备不一定要去医院就能实现实时检查和测量，节省用户的使用成本和时间成本，尤其适合当前医疗领域在慢性病管理的应用。

2.2 减少住院治疗，降低医疗成本

基于可穿戴医疗健康设备在康复医疗的应用，医疗机构将可以更好的整合医疗资源，为用户提供更便捷的康复医疗服务。可穿戴医疗健康设备的即时性，为医疗机构调配医疗资源提供重要的参考支撑，相对现阶段康复治疗，医生可根据可穿戴医疗健康设备的反馈实现即时上门或远程会诊，大大降低医患两方的治疗成本。

2.3 医疗大数据

可穿戴医疗健康设备的进一步应用，能实时监控和传输、分析用户健康数据，为医疗卫生机构和部门的相关应用提供可信的基础。医疗大数据不仅将为医药研产业链上的相关企业和国家卫生部门的科学决策提供依据，将可实现为用户提供诊断、监测、干预一体化的服务，为用户提供最便捷和切实的移动医疗健康福利，大大提升康复治疗效率。

3 可穿戴设备在康复医学领域的应用

康复工程服务的基本对象包括：

（1）肢体运动功能障碍，包括截肢、脑瘫、偏瘫、截瘫、脑外伤、多发性硬化、肌肉萎缩等引起的肢体运动功能障碍。

（2）脑功能障碍，主要包括先天性脑病、脑损伤和老年性脑病。

（3）感官功能障碍。包括先天、后天疾病引起的视觉、听觉障碍。

（4）言语交流功能障碍．包括先天、后天疾病引起的言语功能障碍[5]。

3.1 肢体运动功能障碍方面

虚拟技术是仿真技术与计算机等技术的完美结合形成的三维动态视景，具有高度的真实感和多感知性，虚拟技术备受虚拟现实设备青睐，对Oculus Rift 和 HTC VIVE 来说，后者采用激光扫描定位自由移动的范围比前者的要大了许多，能达到1.94mm 定位精度，它的沉浸感和互动性是行业标杆[6]。陈东林[7]等将HTC VIVE 技术创新于上肢康复，可以根据训练者的训练和康复进展情况，实时监测患肢各种信息，并能实时提供运动者的高仿真三维动态轨迹图，大大提高康复训练的效果。

双手在人类日常生活中有重要意义，腕关节又是人体复杂的力学关节之一，对手做屈、伸、收、展以及环转运动功能起到关键作用，因此监测腕关节的运动状态有重要的实际应用价值。为解决难以在柔性康复机器人上安装角度传感器的问题，李敏[8]等设计了一种柔性可穿戴的腕关节掌屈运动角度传感器，该传感器具有对温度不敏感，不受电子干扰，成本低，不干扰柔性驱动器工作的优点，能够实现实时角度监测，与驱动器组成闭环控制，非常实用。

外骨骼机器人被定义为提供保护和支持的一个硬的外置结构，目的就是为康复患者增强物理能力，主要有基于跑步机和着地康复训练外骨骼机器人以及助行外骨骼机器人[9]。电子科技大学机器人研究中心主任程洪团队研发出最新版外骨骼机器人，能够让脊髓受损的患者直立行走[10]。

动力型下肢假肢的发展使穿戴者进行跑动运动成为可能，因此对假肢穿戴者跑动意图识别的研究十分关键。在国外，智能假肢性能不断提高，相应产品及样机的功能逐渐完善。比如德国Genium 仿生肢体、冰岛PowerKnee 义肢等，在运动状态识别、人机交互、能量效率等方面各有特色，尤其是 Genium X3 的智能仿生膝关节，不仅实现不同步速下的行走与跑动，而且克服了其他智能假肢无法在水中运行的缺点。此外，Shultz[11]等一直致力于下肢假肢跑动模式控制方法的研究，基于行走和跑动的灵活变化而制出这种跑动运动控制器[12]。

3.2 脑功能障碍方面

据2017年发布的《《中国脑卒中防治报告2016》概要》中报道，每5年一次的国家卫生服务调查显示，我国卒中患病率由1993年的0.40% 上升至2013年的1.23%，患病率持续增加[13]。脑卒中经过医疗和康复治疗后仍然面临长期的机能功能障碍而影响生活，后续还存在大量的康复治疗和服务需求。

手功能障碍是常见的脑卒中后遗症之一，严重的影响到患者的日常生活。目前患者手功能的康复多依赖于治疗师的指导，此外，训练内容多较为重复、枯燥。手部可穿戴设备康复训练方法丰富、灵活而且各部分功能更精准，更有利于患者的康复。由于手部运动由各个手指配合完成，包括抓握、侧捏、对捏等多种功能姿势，在使用传感器进行监测时，对传感器的精确度要求较高。随着可穿戴技术的发展，近年来传感器的精确度以及体积达到了可用于手功能康复评估与治疗的水平，可穿戴设备在手功能的康复领域的应用逐渐成为了热门。Bianchi 等[14]通过一种可穿戴手套，对脑卒中患者的手部活动进行三个关节活动度的精确测量，可以重建出患者完整的手部姿势，实时对患者的康复与评估进行记录和反馈。

脑卒中康复患者主要就是针对步行功能的训练，脑卒中后3 个月仍有20%的患者需要使用轮椅，60%的患者存在步行功能障碍。步行功能的障碍或者不正确的步态将影响患者独立进行日常活动的能力，并且影响患者心血管的健康，步态的分析与训练将促进患者日常活动的参与，并有助于提高生存质量。Dragin[15]等研发了一种用于步态训练的姿势辅助系统，，该系统通过一个连接动力滚动助行器和患者下肢的可穿戴设备为患者提供身体姿势支撑和躯干定向，可以帮助患者在脑卒中后康复早期就开始进行步态训练[16]。

帕金森病是最常见的神经退行性疾病之一，患病率高，病程长，并伴有多种并发症，需要长期采用以运动疗法为主的综合康复治疗，所以运动症状监测是帕金森病康复评定的关键。对此，国内外都有针对性的设计帕金森病可穿戴设备，Patel[17]等设计出能采集病人身体三个部位加速度运动信号的有线穿戴式设备；Mera[18]等侧重对病人深度脑刺激参数进行监测优化指导，设计出戴在指尖的运动监测设备；汪丰[19]运用ZigBee 和MPU6050 对病人步行运动数据采集和定量分析；李亮等研制了一套用于帕金森病定量评估的多节点运动信息监测可穿戴设备，采用五个微型传感器节点实现上、下肢和腰部的多身体部位运动信息同步监测[20]。

3.3 视听功能障碍方面

助听器主要有耳背式助听器和耳内式助听器，基本上已经完全数字化，可穿戴助听器完全可以让听力患者和正常人一样自信，Rondo Maestro CI 助听器是一款植入式助听器，要在患者大脑皮层植入接收芯片把信号转换为脉冲信号以便传给大脑，外部设备夹与头发中而实现听力功能；Microsoft 团队正在着手研发一款名为“Alice Band”的可穿戴视力增强设备，它采用回声定位原理，能够将声波转化成为视觉信号帮助患者清晰“看到”前方的障碍物[21]。据报道，浙大一科研团队正在研发一款适合盲人、视障病人佩戴的眼镜，戴上它之后就能感知到身边的桌子椅、红绿灯、来往的车辆，科技的进步为视听障碍者带来了希望。

3.4 言语交流功能障碍方面

言语交流障碍是指先天或后天利用语言交流过程中出现的言语功能障碍，比如聋哑人，或脑卒中言语功能障碍者。东北大学三名学生研发出一种“手语转换发声”手环，通过连接服务器可以让手语发声，并把外界语音转化为文字，实现聋哑人和外界的无障碍沟通。通过连接服务器把手语动作转化为语句，同时还可以把外界语音转化为文字。相对于传统的手语方法，可避免遮挡、干扰和手指细微动作无法捕捉等严重缺陷，在便携实用的同时，保证了识别的实时性和准确性[22]。

4 小结

在移动智能时代，可穿戴设备是在智能、生物及技术基础上的创新，旨在提升和补充医疗资源的不足，更好为社会医疗健康服务。随着可穿戴技术的不断创新，可穿戴设备逐渐在康复医学领域广泛应用，必将影响康复医疗的模式并促进其健康发展。