可穿戴設(shè)備應(yīng)用康復(fù)醫(yī)學(xué)的研究

文/黃小民

可穿戴設(shè)備就是將具有各種可穿戴技術(shù)和功能的電子設(shè)備嵌入日常穿戴中，方便人們的日常生活。谷歌眼鏡問世后，緊隨其后涌現(xiàn)出功能豐富、形態(tài)多樣涵蓋社交、娛樂、教育、健康等多個(gè)方面可穿戴設(shè)備，醫(yī)療健康應(yīng)用最為顯著，據(jù)艾媒一個(gè)移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)的分析報(bào)道，2016年底中國(guó)移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)超74.2 億元，2018年的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到184.3 億[1]。隨著可穿戴技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類穿戴設(shè)備在健康、家居以及通訊等領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用，康復(fù)醫(yī)學(xué)方面也越來越多介入其中?？祻?fù)不僅利用醫(yī)學(xué)措施而且還要協(xié)調(diào)各種社會(huì)及教育措施，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)康復(fù)患者進(jìn)行功能障礙方面的訓(xùn)練，使其功能能力達(dá)到盡可能高的水平，以減輕病患程度，康復(fù)醫(yī)學(xué)就是一門研究一系列有關(guān)功能障礙康復(fù)的學(xué)科[2]。傳統(tǒng)的康復(fù)和治療主要是由康復(fù)師和康復(fù)醫(yī)師為主導(dǎo)，相對(duì)于可穿戴康復(fù)醫(yī)學(xué)設(shè)備來說還是有相當(dāng)?shù)木窒扌?、主觀性和不準(zhǔn)確性，影響康復(fù)效果。

1 基于大數(shù)據(jù)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備

隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備種類越來越多，按功能包括信息咨詢、健身、保健及娛樂等；按身體位置頭部有頭盔、眼鏡、手環(huán)、臂環(huán)、戒指及各種掛件等，下肢有鞋類等，身體有服飾等等，人體全身基本都可以使用可穿戴醫(yī)療設(shè)備。為滿足先進(jìn)的醫(yī)療功能又要給使用者最舒適便捷的感受，可穿戴醫(yī)療設(shè)備不僅使用了當(dāng)今最前沿的傳感和信息傳輸、處理技術(shù)，而且還使用最先進(jìn)的材料包括織物材料和電路設(shè)計(jì)?？纱┐髟O(shè)備依托各種智能技術(shù)、軟件采用大數(shù)據(jù)交互、云端交互，采集并存儲(chǔ)使用者的各種醫(yī)療檢測(cè)數(shù)據(jù)并同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸和處理技術(shù)，對(duì)收集的全部信息進(jìn)行在線分析和離線記錄[3]等等智能管理和使用。涂子沛[4]在《大數(shù)據(jù)》中說，在經(jīng)過集成、分析整理這些海量數(shù)據(jù)而挖掘出新的價(jià)值，形成“大知識(shí)”，這就是大數(shù)據(jù)的意義所在。可穿戴醫(yī)療設(shè)備的大數(shù)據(jù)包括所有醫(yī)療信息和移動(dòng)監(jiān)測(cè)信息，基于大數(shù)據(jù)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備就相當(dāng)于一個(gè)健康服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層及數(shù)據(jù)應(yīng)用層構(gòu)成：

（1）其中數(shù)據(jù)感知存儲(chǔ)層就是采集所有信息以及預(yù)處理，這些信息包括用戶歷史就診、檢查、治療信息及用戶使用可穿戴醫(yī)療設(shè)備后的實(shí)時(shí)更新的一系列信息；

（2）先進(jìn)的通信技術(shù)可將海量信息無線數(shù)據(jù)傳輸功能發(fā)揮極致，是可穿戴醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，也是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的基礎(chǔ)，將采集到的歷史和實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)皆贫擞?jì)算，其結(jié)果又可及時(shí)反饋給用戶及可穿戴醫(yī)療設(shè)備上，可穿戴醫(yī)療設(shè)備主要使用藍(lán)牙和 Zig Bee 等技術(shù)；

（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用層就是通過前兩層的信息收集預(yù)處理和傳輸，對(duì)各種信息及時(shí)響應(yīng)并作出分析，形成一個(gè)多維數(shù)據(jù)庫，為用戶健康和進(jìn)一步的醫(yī)療方案提供有利的支撐數(shù)據(jù)，讓可穿戴醫(yī)療設(shè)備用戶獲得個(gè)性化健康終端服務(wù)。

2 可穿戴醫(yī)療設(shè)備優(yōu)勢(shì)

隨著我國(guó)逐漸步入老齡化社會(huì)，社會(huì)醫(yī)療需求與醫(yī)療資源供給之間矛盾加劇，西部和偏遠(yuǎn)地區(qū)尤為嚴(yán)重，這種矛盾不僅給移動(dòng)醫(yī)療帶來挑戰(zhàn)，而且?guī)頇C(jī)遇，大數(shù)據(jù)的大發(fā)展以及移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)為可穿戴醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用提供了必要條件。糖尿病、心腦血管等老年病、慢性病人除到醫(yī)院就診外，還可在醫(yī)院之外進(jìn)行可穿戴式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)醫(yī)療方式，遠(yuǎn)程調(diào)整治療方案及給藥。

2.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

可穿戴醫(yī)療健康設(shè)備能夠?yàn)橛脩籼峁?shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，讓用戶實(shí)時(shí)了解個(gè)人身體健康狀況。由于可穿戴醫(yī)療健康設(shè)備不一定要去醫(yī)院就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢查和測(cè)量，節(jié)省用戶的使用成本和時(shí)間成本，尤其適合當(dāng)前醫(yī)療領(lǐng)域在慢性病管理的應(yīng)用。

2.2 減少住院治療，降低醫(yī)療成本

基于可穿戴醫(yī)療健康設(shè)備在康復(fù)醫(yī)療的應(yīng)用，醫(yī)療機(jī)構(gòu)將可以更好的整合醫(yī)療資源，為用戶提供更便捷的康復(fù)醫(yī)療服務(wù)。可穿戴醫(yī)療健康設(shè)備的即時(shí)性，為醫(yī)療機(jī)構(gòu)調(diào)配醫(yī)療資源提供重要的參考支撐，相對(duì)現(xiàn)階段康復(fù)治療，醫(yī)生可根據(jù)可穿戴醫(yī)療健康設(shè)備的反饋實(shí)現(xiàn)即時(shí)上門或遠(yuǎn)程會(huì)診，大大降低醫(yī)患兩方的治療成本。

2.3 醫(yī)療大數(shù)據(jù)

可穿戴醫(yī)療健康設(shè)備的進(jìn)一步應(yīng)用，能實(shí)時(shí)監(jiān)控和傳輸、分析用戶健康數(shù)據(jù)，為醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)和部門的相關(guān)應(yīng)用提供可信的基礎(chǔ)。醫(yī)療大數(shù)據(jù)不僅將為醫(yī)藥研產(chǎn)業(yè)鏈上的相關(guān)企業(yè)和國(guó)家衛(wèi)生部門的科學(xué)決策提供依據(jù)，將可實(shí)現(xiàn)為用戶提供診斷、監(jiān)測(cè)、干預(yù)一體化的服務(wù)，為用戶提供最便捷和切實(shí)的移動(dòng)醫(yī)療健康福利，大大提升康復(fù)治療效率。

3 可穿戴設(shè)備在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

康復(fù)工程服務(wù)的基本對(duì)象包括：

（1）肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙，包括截肢、腦癱、偏癱、截癱、腦外傷、多發(fā)性硬化、肌肉萎縮等引起的肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙。

（2）腦功能障礙，主要包括先天性腦病、腦損傷和老年性腦病。

（3）感官功能障礙。包括先天、后天疾病引起的視覺、聽覺障礙。

（4）言語交流功能障礙．包括先天、后天疾病引起的言語功能障礙[5]。

3.1 肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙方面

虛擬技術(shù)是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)等技術(shù)的完美結(jié)合形成的三維動(dòng)態(tài)視景，具有高度的真實(shí)感和多感知性，虛擬技術(shù)備受虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備青睞，對(duì)Oculus Rift 和 HTC VIVE 來說，后者采用激光掃描定位自由移動(dòng)的范圍比前者的要大了許多，能達(dá)到1.94mm 定位精度，它的沉浸感和互動(dòng)性是行業(yè)標(biāo)桿[6]。陳東林[7]等將HTC VIVE 技術(shù)創(chuàng)新于上肢康復(fù)，可以根據(jù)訓(xùn)練者的訓(xùn)練和康復(fù)進(jìn)展情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患肢各種信息，并能實(shí)時(shí)提供運(yùn)動(dòng)者的高仿真三維動(dòng)態(tài)軌跡圖，大大提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。

雙手在人類日常生活中有重要意義，腕關(guān)節(jié)又是人體復(fù)雜的力學(xué)關(guān)節(jié)之一，對(duì)手做屈、伸、收、展以及環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能起到關(guān)鍵作用，因此監(jiān)測(cè)腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為解決難以在柔性康復(fù)機(jī)器人上安裝角度傳感器的問題，李敏[8]等設(shè)計(jì)了一種柔性可穿戴的腕關(guān)節(jié)掌屈運(yùn)動(dòng)角度傳感器，該傳感器具有對(duì)溫度不敏感，不受電子干擾，成本低，不干擾柔性驅(qū)動(dòng)器工作的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)角度監(jiān)測(cè)，與驅(qū)動(dòng)器組成閉環(huán)控制，非常實(shí)用。

外骨骼機(jī)器人被定義為提供保護(hù)和支持的一個(gè)硬的外置結(jié)構(gòu)，目的就是為康復(fù)患者增強(qiáng)物理能力，主要有基于跑步機(jī)和著地康復(fù)訓(xùn)練外骨骼機(jī)器人以及助行外骨骼機(jī)器人[9]。電子科技大學(xué)機(jī)器人研究中心主任程洪團(tuán)隊(duì)研發(fā)出最新版外骨骼機(jī)器人，能夠讓脊髓受損的患者直立行走[10]。

動(dòng)力型下肢假肢的發(fā)展使穿戴者進(jìn)行跑動(dòng)運(yùn)動(dòng)成為可能，因此對(duì)假肢穿戴者跑動(dòng)意圖識(shí)別的研究十分關(guān)鍵。在國(guó)外，智能假肢性能不斷提高，相應(yīng)產(chǎn)品及樣機(jī)的功能逐漸完善。比如德國(guó)Genium 仿生肢體、冰島PowerKnee 義肢等，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別、人機(jī)交互、能量效率等方面各有特色，尤其是 Genium X3 的智能仿生膝關(guān)節(jié)，不僅實(shí)現(xiàn)不同步速下的行走與跑動(dòng)，而且克服了其他智能假肢無法在水中運(yùn)行的缺點(diǎn)。此外，Shultz[11]等一直致力于下肢假肢跑動(dòng)模式控制方法的研究，基于行走和跑動(dòng)的靈活變化而制出這種跑動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器[12]。

3.2 腦功能障礙方面

據(jù)2017年發(fā)布的《《中國(guó)腦卒中防治報(bào)告2016》概要》中報(bào)道，每5年一次的國(guó)家衛(wèi)生服務(wù)調(diào)查顯示，我國(guó)卒中患病率由1993年的0.40% 上升至2013年的1.23%，患病率持續(xù)增加[13]。腦卒中經(jīng)過醫(yī)療和康復(fù)治療后仍然面臨長(zhǎng)期的機(jī)能功能障礙而影響生活，后續(xù)還存在大量的康復(fù)治療和服務(wù)需求。

手功能障礙是常見的腦卒中后遺癥之一，嚴(yán)重的影響到患者的日常生活。目前患者手功能的康復(fù)多依賴于治療師的指導(dǎo)，此外，訓(xùn)練內(nèi)容多較為重復(fù)、枯燥。手部可穿戴設(shè)備康復(fù)訓(xùn)練方法豐富、靈活而且各部分功能更精準(zhǔn)，更有利于患者的康復(fù)。由于手部運(yùn)動(dòng)由各個(gè)手指配合完成，包括抓握、側(cè)捏、對(duì)捏等多種功能姿勢(shì)，在使用傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)傳感器的精確度要求較高。隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展，近年來傳感器的精確度以及體積達(dá)到了可用于手功能康復(fù)評(píng)估與治療的水平，可穿戴設(shè)備在手功能的康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為了熱門。Bianchi 等[14]通過一種可穿戴手套，對(duì)腦卒中患者的手部活動(dòng)進(jìn)行三個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)度的精確測(cè)量，可以重建出患者完整的手部姿勢(shì)，實(shí)時(shí)對(duì)患者的康復(fù)與評(píng)估進(jìn)行記錄和反饋。

腦卒中康復(fù)患者主要就是針對(duì)步行功能的訓(xùn)練，腦卒中后3 個(gè)月仍有20%的患者需要使用輪椅，60%的患者存在步行功能障礙。步行功能的障礙或者不正確的步態(tài)將影響患者獨(dú)立進(jìn)行日?；顒?dòng)的能力，并且影響患者心血管的健康，步態(tài)的分析與訓(xùn)練將促進(jìn)患者日常活動(dòng)的參與，并有助于提高生存質(zhì)量。Dragin[15]等研發(fā)了一種用于步態(tài)訓(xùn)練的姿勢(shì)輔助系統(tǒng)，，該系統(tǒng)通過一個(gè)連接動(dòng)力滾動(dòng)助行器和患者下肢的可穿戴設(shè)備為患者提供身體姿勢(shì)支撐和軀干定向，可以幫助患者在腦卒中后康復(fù)早期就開始進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練[16]。

帕金森病是最常見的神經(jīng)退行性疾病之一，患病率高，病程長(zhǎng)，并伴有多種并發(fā)癥，需要長(zhǎng)期采用以運(yùn)動(dòng)療法為主的綜合康復(fù)治療，所以運(yùn)動(dòng)癥狀監(jiān)測(cè)是帕金森病康復(fù)評(píng)定的關(guān)鍵。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外都有針對(duì)性的設(shè)計(jì)帕金森病可穿戴設(shè)備，Patel[17]等設(shè)計(jì)出能采集病人身體三個(gè)部位加速度運(yùn)動(dòng)信號(hào)的有線穿戴式設(shè)備；Mera[18]等側(cè)重對(duì)病人深度腦刺激參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)優(yōu)化指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出戴在指尖的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備；汪豐[19]運(yùn)用ZigBee 和MPU6050 對(duì)病人步行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集和定量分析；李亮等研制了一套用于帕金森病定量評(píng)估的多節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備，采用五個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)上、下肢和腰部的多身體部位運(yùn)動(dòng)信息同步監(jiān)測(cè)[20]。

3.3 視聽功能障礙方面

助聽器主要有耳背式助聽器和耳內(nèi)式助聽器，基本上已經(jīng)完全數(shù)字化，可穿戴助聽器完全可以讓聽力患者和正常人一樣自信，Rondo Maestro CI 助聽器是一款植入式助聽器，要在患者大腦皮層植入接收芯片把信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)以便傳給大腦，外部設(shè)備夾與頭發(fā)中而實(shí)現(xiàn)聽力功能；Microsoft 團(tuán)隊(duì)正在著手研發(fā)一款名為“Alice Band”的可穿戴視力增強(qiáng)設(shè)備，它采用回聲定位原理，能夠?qū)⒙暡ㄞD(zhuǎn)化成為視覺信號(hào)幫助患者清晰“看到”前方的障礙物[21]。據(jù)報(bào)道，浙大一科研團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一款適合盲人、視障病人佩戴的眼鏡，戴上它之后就能感知到身邊的桌子椅、紅綠燈、來往的車輛，科技的進(jìn)步為視聽障礙者帶來了希望。

3.4 言語交流功能障礙方面

言語交流障礙是指先天或后天利用語言交流過程中出現(xiàn)的言語功能障礙，比如聾啞人，或腦卒中言語功能障礙者。東北大學(xué)三名學(xué)生研發(fā)出一種“手語轉(zhuǎn)換發(fā)聲”手環(huán)，通過連接服務(wù)器可以讓手語發(fā)聲，并把外界語音轉(zhuǎn)化為文字，實(shí)現(xiàn)聾啞人和外界的無障礙溝通。通過連接服務(wù)器把手語動(dòng)作轉(zhuǎn)化為語句，同時(shí)還可以把外界語音轉(zhuǎn)化為文字。相對(duì)于傳統(tǒng)的手語方法，可避免遮擋、干擾和手指細(xì)微動(dòng)作無法捕捉等嚴(yán)重缺陷，在便攜實(shí)用的同時(shí)，保證了識(shí)別的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性[22]。

4 小結(jié)

在移動(dòng)智能時(shí)代，可穿戴設(shè)備是在智能、生物及技術(shù)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，旨在提升和補(bǔ)充醫(yī)療資源的不足，更好為社會(huì)醫(yī)療健康服務(wù)。隨著可穿戴技術(shù)的不斷創(chuàng)新，可穿戴設(shè)備逐漸在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，必將影響康復(fù)醫(yī)療的模式并促進(jìn)其健康發(fā)展。