老年人髋关节防护气囊发展现状及关键技术

屈纯 常智俐 杨威 姚俊

(湖北航天化学技术研究所 应急救生与安全防护湖北省重点实验室 航天化学动力技术重点实验室，湖北 襄阳 4414003)

随着社会经济发展和医疗水平提高，人群期望寿命越来越高，人口不断老龄化，人们越来越关注老年人的健康及生活质量。在影响健康的因素中跌倒由于发生率高、后果严重及其疾病负担巨大，不论是在发达国家，还是在发展中国家均已证明是一个威胁老年人生命和健康的重要原因，已成为老年人伤害致死的首位死因〔1〕。如何降低或者消除老年人的跌倒伤害及对老年人进行有效保护，已成为保护老年人的当务之急，特别是对于我国逐步走向老龄化社会来说这点非常有必要。

1 老年人髋关节防护气囊的发展概况

1.1老年人髋关节防护的需求 据央视新闻频道报道，在我国每年有4 000万65岁以上的老年人意外跌倒。它所造成后果也非常严重，老年人意外死亡中2/3都是跌倒所致，75岁以上老年人意外死亡中跌倒占70%〔2，3〕。而在所有的跌倒损伤中，髋关节骨折是危害性最大的，也被成为是“人生最后一次骨折”。因为髋关节骨折后，绝大部分老年人由于身体和高龄原因无法进行手术，无奈只能选择卧床不起，这样会造成老年人进一步的功能减退，不久就会死亡〔4～6〕。

如何避免老年人“人生最后一次骨折”悲剧上演，已成为近年来健康养老康复产业关注的焦点〔7，8〕。目前市场上出现的老年人陪护、跌倒检测、报警与救护产品及医学上的跌倒干预方法的应用在一定程度上起到了对老年人跌倒救助作用〔9～11〕。然而，这些产品及方法所实现的功能大都是在检测到人体跌倒后报警，再通过短信、电话或定位等方式，通知外界或家人及时前往求助。由于跌倒已经实际发生，这些产品并未从根本上避免跌倒对老年人所产生的伤害。为解决传统跌倒防护产品存在的问题，越来越多的科技应对方法被应用到了跌倒防护中，或是通过人体活动干预防止或减少老年人跌倒发生的风险，或是在老年人跌倒落地前对人体进行保护，尝试从根本上避免或减轻跌倒伤害，该类技术代表了老年人跌倒防护的未来〔12～14〕。

1.2国外髋关节防护气囊发展现状 国外对于髋关节防护气囊的研究，较为知名的有法国Helite公司、美国Active Protective公司、日本的Prop公司、荷兰WOLK公司和以色列的Hip-Hope气囊公司，其产品原理较为类似。其中法国Helite公司的髋部腰带气囊曾在2018年1月的CES展会上展出，并于2018年上半年小批量供货于欧洲市场，全球其他区

域尚无法购买；荷兰WOLK公司也推出一款符合人体工程学的围裙式髋关节保护气囊，穿在衣服里面，具有友好的人机交互设计；以色列的Hip-Hope设计成带状装置，包含一组独特的传感器和检测逻辑，一旦检测到即将撞击地面，系统可立即激活两个快速展开的安全气囊；美国ActiveProtective公司研究的气囊，出现在2017年的CES展会上，它可以像腰带一样戴在衣服上，内置3D运动传感器，能够准确检测非典型运动，并利用冷气体发生器使气囊弹出，保护老年人臀部两侧。日本Prop公司对可穿戴气囊的研究最初见报于2009年，被设计称背包样式，当探测器发现穿戴者跌倒时，可以迅速打开气囊，防护人体的髋部、臀部和后脑部〔14～18〕。见表1，图1。

表1 国外髋关节防护气囊产品

图1 国外髋关节防护气囊

上述的产品大都还处于研制或者是小范围试戴、评估阶段，仅有法国Helite公司和荷兰WOLK公司的产品通过其官网在欧洲范围内销售，中国大陆地区还无法直接购买。

1.3国内髋关节防护气囊发展现状 我国对于这种穿戴式髋关节防护气囊的研究，起步较晚，目前多在高校和研究所进行；有哈尔滨工业大学、武汉理工大学、浙江大学等〔19～21〕，不过它们的研究多注重跌倒识别和预警，对于穿戴式防护气囊和充产气装置涉及很少。对穿戴式跌倒防护气囊全系统及其核心部件有深入研究的有香港中文大学和深圳先进技术研究院〔22，23〕，但至今也仅处于试验阶段，未有实物产品(图2)；深圳先进技术研究院的产品为腰包样式，不仅可以提供应急防护，还具备储物等功能(图3)。

湖北航天化学技术研究所也为老年人的髋关节防护研制了一套智能防护气囊系统，该系统主要由跌倒预先识别模块、快速充气气源模块和气囊/气囊衣组件3部分构成〔24〕(图4)。

跌倒预先识别模块被设计成了腰带卡扣样式，可实现插上即开、拔掉即关的功能；气囊囊体采用聚氨酯(TPU)材料，具备高张力、高拉力、耐老化和耐受性好的特点，整个气囊经折叠后布置在马甲下摆的内衬里，穿戴起来轻薄舒适，气囊展开后从马甲下摆里伸出，包裹住人体的整个腰部，对髋关节、臀部起到防护作用；快速充气气源模块采用压缩气瓶和刺针设计，执行响应时间快，通过密封设计确保安全，气囊可在200 ms的时间完全展开。

图2 香港中文大学穿戴式跌倒防护气囊设计

图3 深研院穿戴式跌倒防护气囊产品

图4 湖北航天化学技术研究所穿戴式跌倒防护气囊产品

2 关键技术

2.1跌倒识别与预警技术 跌倒识别与预警技术在本系统中用以检测和识别人体是否跌倒，从而决定是否启动气囊充气；又由于髋关节防护气囊系统的气囊打开是在人体跌倒但尚未落地之前，而跌倒是人在无意识情况下，人体由站立、平坐或其他姿态快速过渡到躺倒姿态，这一过程发生的时间一般在600～800 ms，因此必须要求跌倒动作识别和预警的时间要快速准确，且是在身体还未着地前就给出准确的预警信号，如图5所示，跌倒识别与预警必须在T1～T2的时间内做出准确判断，而这一时间比跌倒发生的总时间更短，一般在500 ms以内，因此该技术属于髋关节防护气囊系统中的关键技术，也是其难点所在。跌倒事件发生过程中，人体的加速度、速度和角速度等矢量均发生了变化。依据此原理，提取人体的姿态特征(如加速度、角速度、位移、倾角等)参数，对使用者的跌倒状态进行建模，以此对人体的跌倒进行预警〔25～27〕。跌倒识别与预警技术对于老年人跌倒识别的准确率和误报率直接决定该产品的可靠性。因此该技术的研发与改进不仅需要在实验室中进行严苛实验，还要在老年人真实环境中进行数据采集与测试。

WOLK气囊系统在投放市场前，在实验室中和现实生活中均进行了各种模拟测试，投放市场后有超过80名老年人佩戴WOLK气囊系统共同生活超过1 750 d，这些人一般家里或养老院，他们实际的活动数据会对产品本身进行检验和优化。法国Helite公司的工程师也针对电子系统对复杂人体运动分析的课题进行了深入研究并通过了大量人体实验，研发过程工程师记录了数百次跌倒并监测老年人的情绪，这一时间大约持续了10年；最终还有医生和护理人员选择了一个由50例患者组成的小组来测试该产品，最终产品在2018年投放。美国Active Protective自2012年底成立以来，已经筹集了千万美元用于研发，并在加利福尼亚州北部的一家高级护理机构和美国最大的急症护理服务提供商进行试点，用于验证产品可靠性，其中最主要的目的之一就是验证和完善跌倒识别与预警技术。

2.2高安全性快速充气气源技术 高安全性快速充气气源是跌倒防护气囊的核心模块之一，它负责接收到跌倒预警信号后启动产气，并快速将气体充入事先折叠好的气囊中，快速打开气囊包裹住人体髋关节，形成缓冲。老年人髋关节跌倒防护气囊是人体近身使用的系统，对气源装置的要求极高，有其特殊性。由于跌倒发生的时间极短，因此要求发生器的充产气速度快；同时发生器工作还不能对人体产生伤害和影响，故还要求发生器激发瞬间声音小、气体温度低、气体无毒害等。这一技术最早源于汽车安全气囊气体发生器，但由于汽车上较多使用的烟火式气体发生器气体温度高，存在潜在的风险和隐患，目前国内外采用的高安全性快速充气气源大多是压缩气瓶，只是打开压缩气瓶的方式存在差异，这也是造成气源充气时间快慢的根本原因〔28，29〕。

图5 人体跌倒与气囊系统工作流程

法国Helite公司的气囊产品采用火药力推动刺针的方式打开压缩气瓶，其对气囊的充气速度极快，时间仅为80 ms；美国Active Protective公司正在研制的产品采用专门研制的冷气发生器(cold-gas inflator)，可确保气囊充气时间小于300 ms；日本PROP气源打开采用火药熔穿的方式，气囊充气时间约为120 ms；香港中文大学和深圳先进技术研究院采用的是电机驱动刺针的方式，气囊充气时间在400 ms左右。安全快速的充气气源技术是确保髋关节防护气囊可靠性的另一个关键技术，在人体跌倒时间较短的事实情况下，气源对气囊的充气时间越短，预留给跌倒识别和预警的时间就越长，相对来讲，跌倒预警的准确率会越高，误报率也会显著下降。

3 未来研究和发展趋势

在全球范围内，目前已投放市场和正在研制过程中的髋关节防护气囊产品，在功能上均是实现跌倒动作预警和气囊防护，少数产品具备与手机APP互联功能，可实现跌倒报警和信息分享。

随着我国医疗大数据和健康产业的发展，未来髋关节防护气囊产品可以集成更多的穿戴式健康数据监测功能，例如，血压、心率的实时监控等，实现对老年人身体功能与健康状况的随时监测和管理，并对他们未来的健康状态进行预测，对老年人日常生活习惯、饮食与运动提出指导和建议。髋关节防护气囊产品还可以集成GPS定位，并进行信息共享，实现跌倒预警与医院、社区、家人联动。一旦系统检测到老年人跌倒，若跌倒伤害较为严重，立刻将跌倒位置发送到医院、社区康养机构和家属对应的信息平台，以便实现更加快速有效的救助。另外，未来跌倒防护气囊的防护范围将不仅仅局限于髋关节防护，可以拓展到更多的部位，以气囊衣的形态，在人体头部、颈部、肩背部、髋部、臀部等关键部位均设置气囊，实现对老年人上肢体的全方位防护。