基于柔性传感器的可穿戴设备在康复领域中的应用

何子俊，曾 庆，巩 泽，陈 蓉，曲 航，李士林，路鹏程，邹积华，2，黄国志，2*

1南方医科大学珠江医院康复医学科，广东 广州510280；

2南方医科大学康复医学院，广东 广州510280

可穿戴设备又称为可穿戴式计算机，它是一种可以佩戴在身体上并能传递数据的计算机设备，可穿戴设备在康复医学领域应用广泛，如生命体征监测［1］、身体姿势监测［2-3］、运动监测［4］等，其运用的核心技术包括传感技术、云计算技术等［5］，其中传感技术的实现载体为传感器，传感器是一种能检测并传递信息的装置，能够把待测信息按一定规律转换成电信号输出［6］。可穿戴设备多种功能的实现均依赖于传感器对身体状态的记录，可见传感器是可穿戴设备的技术核心。目前可穿戴设备使用的传感器主要有惯性传感器［7］、kinect传感器［8］，但惯性传感器多为延展性差的刚性材料制作，以它为核心的可穿戴设备具有舒适性差、检测精度受运动速度影响等缺点［9］；基于kinect传感器的设备虽然准确性高，但其体积大，使用范围仅局限在特定的空间且价格高昂，不适用于日常穿戴及实时监测［4］。柔性材料指具有良好延展性且延展过程中不失去性能的材料，柔性传感器是以柔性材料为核心原料制成的新型传感器，具有轻便、穿戴舒适、精确度高等优点，基于柔性传感器的可穿戴设备有望弥补传统设备的不足并广泛应用于临床。本研究目的是阐述基于柔性传感器的可穿戴设备在康复医学中的研究进展，为未来临床的应用和推广提供理论基础。

1 柔性可穿戴设备的原理及分类

柔性可穿戴设备的核心部件是柔性传感器，柔性传感器的原理是将外部形变信号转化为电信号［10］，根据信号转化方式可将柔性可穿戴设备分为压阻式、电容式、压电式。压阻式的信号转换机制是将形变信号转化为电阻的改变：根据电阻的计算公式：R＝ρL／S［10］，其中ρ为电阻率，L为电阻长度，S为横截面积。当设备形变时，L、S改变造成电阻改变；压阻式的优点是灵敏度高，制备工艺简单，缺点是信号滞后，精度受温度影响大，常用于大幅度运动监测，如关节活动等［11］。电容式由平行板电容器组成，其电容计算公式为：C＝εA／d［12］，其中ε为介电常数，A为平行板面积，d为两板间距。当设备形变时A、d发生变化使电容变化；电容式的优点是精确度高，监测范围广，缺点是易受外场干扰［13］，常被用于精细运动监测，如吞咽、发音时声带振动［14］。压电式由具有压电效应的材料构成，当受到外部压力时，材料内部电子向两级迁移，形成带有一定电压的内部电场，其优点是能够对应变作出快速响应，适合监测动态变化的信号如心率、呼吸等，缺点是应变性较其余二者差，佩戴舒适性较差［6］。见图1［15］。

图1 柔性可穿戴设备3种不同信号转换机制示意图Figure 1 Schematic diagram of 3 different signal conversion mechanisms for flexible wearable devices

2 柔性可穿戴设备在康复医学中的应用

2.1 健康监测

康复医学科的患者以老年居多且大多合并慢性代谢病，如高血压、糖尿病、高血脂等［16］。所以慢病管理对于康复医学而言十分重要。最为有效的管理手段就是定期对身体数据进行监测并且根据监测结果调整用药。最传统的监测方式是在社区医院进行监测，这种方式费时、费力，不利于患者长期坚持。近年来，随着可穿戴设备的发展与应用，血压、心率、血氧这种易测的生理指标已经能够实现患者随时随地自主检测，但目前的可穿戴设备存在佩戴舒适性差、测量指标少等问题。柔性传感器的研制有望让可穿戴设备在更加舒适轻便的同时监测更多生理数据。

2.1.1 生命体征监测 目前可穿戴设备对生命体征的测量主要依靠光电、光化学转换，这些设备虽然可以实现实时移动测量，但价格较高且长期佩戴可能会引起不适，精确性、敏感性方面也有所欠缺。目前已有不少文献报道柔性可穿戴设备有更出色的性能和舒适性：如KIM等［17］在柔性基底上加入褶皱金薄膜制作了柔性传感器，基于该传感器的可穿戴设备可以监测桡动脉血压且反应灵敏，有潜力用作动态血压监测；在此基础上，LIU等［18］用还原石墨烯为主要材料制备出柔性多模传感器，基于该传感器的可穿戴设备可以同时对呼吸和脉搏进行监测，实现功能上合二为一，精简了穿戴数量。在实际应用过程中，设备的工作环境往往不是单一的，出于实用性的考虑，MANDAL等［19］以纳米晶作为介电系统，以高柔性的厚聚对苯二甲酸乙二醇酯作为衬底，制备了在水下、不同pH值中均具有高稳定性的柔性传感器，基于该传感器的可穿戴设备可以在各种极端环境下监测体温。除去对环境的适应性，传感器的美观性也至关重要，在日常生活中长期佩戴引人注目的医疗器具会让患者产生耻感。为了解决这个问题，WANG等［20］开发了一种贴片式柔性可穿戴设备，该贴片具有轻薄、透明的特点，在舒适的同时，出色的“隐形”能力不会给患者的日常生活带来压力，除此之外，该仪器在柔性传感基底上集成了小型光学传感器，能够监测血氧、血压，并有不错的精确度。

2.1.2 血糖、乳酸、电解质监测 血糖监测对于糖尿病患者而言至关重要。目前，应用最广泛的血糖测量方式是手指穿刺，这种方法为有创检查，会增加糖尿病患者感染风险。为了提高血糖监测的安全性，科研人员正在研发一种基于柔性传感器的无创血糖监测方法。LEE等［21］将石墨烯与金网结合，制造出1个可穿戴的柔性贴片，该贴片内部为电化学探针，可以分析汗液的含糖量，再利用汗液糖量与血糖的对应关系进而分析血糖。除此之外，该贴片可以通过热驱动来释放二甲双胍，降低糖尿病患者的血糖水平，该装置在动物实验中已被证明有效。为了获得更准确的血糖监测结果，WIOREK等［22］使用碳纳米管、Agcl金属电极制作了类似功能的柔性皮肤贴片，该贴片在分析汗液含糖量的同时分析汗液中的乳酸并记录体温，然后利用这2个指标对汗液含糖量进行矫正，从而得到更准确的血糖水平。在测量血糖的基础上，越来越多的生化指标也可以被同时测量，如EMAMINEJAD等［23］和GAO等［24］的团队设计了一种集成有电化学探针的柔性传感器，基于该传感器的可穿戴设备能够同时测量汗液代谢物（乳酸和葡萄糖）、汗液电解质（Na+和K+）以及皮肤温度。

2.1.3 生物电监测 心电、肌电、脑电等生物电信号能够提供丰富的生理信息，可用于疾病诊断和治疗效果的评估，但传统的检查方式步骤复杂、舒适性差、易受运动伪影影响。柔性可穿戴设备的应用可以简化检查步骤并提升检查舒适性、精确性。为了提升检测过程中的稳定性与舒适性，CHEN等［25］将电极集成于柔性纺织式传感器中，并用其替代传统粘贴性电极，保证了心电图测量过程中的舒适性，不仅如此，使用该设备在转身、行走过程中测量未发现明显的运动伪影，表现出了良好的稳定性。MYERS等［26］使用纳米材料制作的柔性电极也有同样的效果。ARAKI等［27］将电极集成在用纳米金属材料制成的柔性传感器中，基于该传感器的设备具有良好的生物兼容性、精确性，可以无线获取脑电图，并根据脑电图图像区分老年痴呆症患者和健康人群，从而为快速诊断及评估老年痴呆症提供了可能。

2.2 运动监测

2.2.1 关节运动监测 人体姿态和运动分析在康复医学中具有重要意义。然而，如何研制出轻便舒适并能准确捕捉人体运动的可穿戴设备仍是一个难题，柔性可穿戴设备的研发为解决上述问题提供了新的可能性。可穿戴设备对不同部位的运动监测包括：①小关节精细运动如腕、指间关节等；②大关节大幅度运动如膝、踝关节等。CHEN等［28］将液态金属共晶镓铟（EGaIn）嵌入波状微通道弹性体基体中，制造了一种微流控柔性传感器，它具有高灵敏度和分辨率的特点，基于该传感器的可穿戴设备可以监测到低至0.09%的微形变如手腕、手指等小关节的精细运动。ZHANG等［29］和WANG等［30］的团队用导电海绵制作的柔性可穿戴设备也有类似的功能。TOTARO等［31］将工作重心放在大关节监测，他们认为有运动障碍的患者在进行运动康复过程中有一定危险性，因此他们将柔性传感器与纺织品结合做成有保护膝、踝关节作用的可穿戴设备，这一设计将传感器和护具结合起来，既有保护、支撑关节的作用，又有监测关节运动的作用。

2.2.2 步态监测 步态异常是康复领域中很常见的一种功能障碍，如卒中后的偏瘫步态、帕金森病的慌张步态等。步态监测不仅是一种有效的诊断手段，而且是对病情严重程度的有效评估手段。传统的步态分析往往靠肉眼观察，主观性较强。柔性可穿戴设备可以将步态量化并分析，使结果更具客观性和真实性。如CHA等［32］介绍了一种将柔性压电传感器和服装结合的步态识别系统，该系统将柔性传感器嵌入服装中，不仅步态识别效果良好，同时还可以对站立和坐下姿势进行区分；HENG等［33］将导电橡胶和柔性基板组装成压敏鞋垫，该鞋垫将步态信号传递给计算机，实现步态分析并能准确地将不同步态区分开来。从这2个例子可以看出，柔性可穿戴设备凭借其延展性良好的特性，将穿戴形式进行了创新，可穿戴设备不仅可以是手环、手表，也可以是鞋垫、衣服。

2.3 吞咽言语监测

吞咽障碍的康复离不开反复的吞咽肌训练及训练后的吞咽功能评估。目前临床上使用的吞咽功能评估金标准是吞咽造影，吞咽造影不仅收费高昂，而且会对患者产生辐射，故而不适合将其作为吞咽功能的常规评定手段。柔性可穿戴设备的研发使无创准确地评估吞咽功能成为可能。RAMÍREZ等［34］介绍了一种由钯纳米岛构成的柔性应变传感器，基于该传感器的设备可以无创评估吞咽功能，为了验证该设备在吞咽监测中的效果，将该设备和表面肌电图在正常人和吞咽困难患者上的检查结果作对比，结果发现，柔性可穿戴设备和表面肌电图均能监测吞咽功能，但前者对吞咽肌舒张过程有更好的敏感性。IIZUKA等［35］制作了小型压电柔性传感器，将5个传感器以3.0 mm的间隔排列在一起，并嵌入在1个手掌大小的聚氨酯树脂片的中间，该设备可以测量吞咽速度，从而对吞咽困难程度进行量化。在喉颈部监测中，除去吞咽，言语功能监测也十分重要，但发声时引起的声带振动较为微弱，常规检测方法很难将其检测到。SHI等［36］以聚乙烯醇制备的柔性可穿戴设备具有很好的灵敏度，它可用通过声带振动差异识别不同单词的发音。

2.4 居家康复

受住院成本、医院床位、康复周期等诸多因素的影响，患者的康复由医院逐渐向社区和家庭延伸。所以居家康复对于整个康复过程至关重要，可穿戴设备则是居家康复中不可缺少的一环。柔性可穿戴设备不仅佩戴舒适，而且还可以同时指导患者进行简单的康复治疗。如HU等［37］利用普通织物和导电纱线研制了一种用于膝关节运动测量的新型柔性织物传感器，基于该传感器的设备采用电子测角仪作为标准参考，对设备进行标定，并验证其精度，经过测试，该设备可用于训练中膝关节运动幅度监测，再配上良好的人机交互界面，形成生物反馈机制，督促患者自行或在家人协助下高质量地完成每一次动作，即便在家也能有不错的康复效果。KIM等［38］研制出一套吞咽训练系统，该系统由柔性可穿戴贴片及1个显示器组成，将该贴片置于下颌处，吞咽时便可记录吞咽肌活动，并在显示器中反馈出吞咽状态，并指导进一步吞咽训练。

2.5 跌倒预警

我国60岁以上老人跌倒发生率高达15%～30%［39］，跌倒后发生股骨头骨折、脑出血等致命创伤的风险较大，若得不到及时救治则死亡风险高。利用柔性可穿戴设备配合自动报警系统有助于缩短患者就诊时间，降低死亡风险。如CHANDER等［40］将4个传感器分别放于踝关节的内外前后部监测踝运动情况，第5个传感器放于足底监测足底压力变化，这套传感系统可以监测踝关节稳定性，当患者摔倒时5个传感器均会监测到特殊信号，系统收到特殊信号就会自动报警。CHANDER等［40］同样研制出基于柔性可穿戴设备的脚踝监测系统，并将其与3D运动捕捉系统进行对比，发现该设备具有较高的准确度。

2.6 智能康复

2.6.1 人机交互 康复机器人是康复治疗智能化的产物，该技术已经发展了几十年，取得了令人瞩目的进展［41］。但其临床应用并不广泛，造成这一问题的原因之一是设备所采用的运动意图识别机制尚不成熟［42］，导致在实际应用中信号转化不稳定。目前主流的运动意图识别方式是收集肌肉表面的肌电信号并提取信号特征值，对特征值综合分析后得到肌电信号下蕴藏的运动意图［43］。肌电信号不仅蕴藏着丰富的运动意图，并且信号收集过程是无创的，通过电极便可轻易收集，故而肌电信号得到了广泛的应用。但其不足是容易受到各种混杂信号干扰，如电力线噪声和运动伪影将不可避免地降低运动意图识别精度。为了解决这个问题，HUANG等［42］利用纳米金制作出柔性传感器，通过检测肌肉形变来识别运动意图，获得了不错的准确率，为康复机器人人机交互提供了新的思路。在此基础上，LI等［44］将多个柔性传感器集成在针织物中，该设备能够收集形变信号并转化为具有动作特征的电信号，不仅可以识别不同的运动意图，而且与人接触的部分是针织物，能有效提升用户舒适性。

2.6.2 电子皮肤 电子皮肤又称新型可穿戴柔性仿生触觉传感设备，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在如假体、机器人肢体等现代化设备表面，是一种可以让设备产生并传导感觉的装置。电子皮肤在康复领域的应用主要为将其安装在截肢患者的假肢上，使假肢不仅有运动替代功能，还有感觉传输功能，如WAN等［45］研制出的柔性电子皮肤就是将柔性铁驻极体纳米发电机作为机械感受器，产生动作电位，再由人工突触处理并传递至中枢，从而实现温觉、触觉的传递；SHIT等［46］研制出一种自供电式柔性电子皮肤，其在功能上并无特殊，但该设备能通过自供电传感装置从室外阳光中获取光能，并将光能用于动作电位的生成和传递，具有不错的续航能力。

3 小结与展望

基于柔性传感器的可穿戴设备具有轻便、舒适、应用范围广等特点，有望取代传统可穿戴设备，并被临床广泛应用，其在临床的应用场景主要包括健康监测、运动监测、吞咽言语监测、居家康复、跌倒预警、智能康复6个方面。在健康监测方面其优势在于监测数据种类多样化；运动监测、吞咽言语监测方面其优势在于高精确度与轻便舒适；居家康复、跌倒预警则需要多学科合作实现监测与数据分析传输的同步化；智能康复方面则主要利用了柔性材料的高延展性，实现运动意图识别与感觉的模拟与传输。虽然在过去数年中，基于柔性传感器的可穿戴设备取得了不错的研究进展，但同时也面临着巨大的挑战：①柔性材料本身存在不可避免的共性问题——蠕变特性，即在应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象，这说明柔性传感器可能存在耐久性不高的问题；②高精确度与大检测范围的矛盾；③在保证舒适性的基础上，设备与皮肤的锚定性难以保证，在大幅度运动时设备可能出现贴合度欠佳从而出现测量精确度下降等问题；④续航性差：随着可穿戴设备的轻便化，其电源也需要变得越来越小、能量密度越来越高，传统的供电系统很难满足需求；⑤成本较高。因此，对于柔性可穿戴设备的研究仍任重而道远，未来的关注点可聚焦于材料创新与自供电系统的研发上，争取早日实现临床应用。