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研究背景

近年來，世界人口老齡化問題愈發(fā)突出，發(fā)展更好的老年護(hù)理的技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。其中，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎是最常見的老年性疾病之一，可以通過全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA，國內(nèi)年手術(shù)量200萬例以上）進(jìn)行有效治療。然而，目前的康復(fù)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在巨大挑戰(zhàn)，大量患者在康復(fù)過程中備受煎熬。傳統(tǒng)肌肉測(cè)試系統(tǒng)體積龐大、專業(yè)人員依賴性強(qiáng)；慣性測(cè)量單元（IMU）存在累計(jì)誤差、無法評(píng)估肌力的問題，亟需一種新型的康復(fù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

創(chuàng)新點(diǎn)

中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、唐偉研究員、李舟研究員聯(lián)合湘雅醫(yī)院李宇晟主任醫(yī)師團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種模塊化、便攜、穿戴膝蓋支具系統(tǒng)。利用轉(zhuǎn)動(dòng)?xùn)鸥窠Y(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）實(shí)現(xiàn)主動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)等長肌力測(cè)試。在傳統(tǒng)支具的基礎(chǔ)上，僅增重71g，便可增加兩項(xiàng)康復(fù)監(jiān)測(cè)功能，且最小分辨率分別為0.01 N和1 °。文章對(duì)該系統(tǒng)的可行性和康復(fù)效果進(jìn)行了臨床條件，未來推廣該系統(tǒng)將有助于膝蓋置換患者的術(shù)后康復(fù)，以及搭載遠(yuǎn)程AI個(gè)性化康復(fù)平臺(tái)。

文章解析

圖1：康復(fù)支具系統(tǒng)示意圖。a)模塊化支具系統(tǒng)穿戴圖和爆炸圖。支架系統(tǒng)包括：i)力傳感器；ii)與支具彎曲角度30°、50°、60°、90°對(duì)應(yīng)的伸縮桿；iii)用于伸縮桿固定和拆卸的快扣；iv)力傳感器電路；v)TENG角度傳感器；vi)TENG角度傳感器電路。b)數(shù)據(jù)收集和傳輸?shù)牟輬D。c)支具測(cè)試照片。

圖2：肌力監(jiān)測(cè)模塊表征。a）肌力模塊的測(cè)試示意圖。b)信號(hào)采集和可視化流程圖。c) 力和扭矩之間的實(shí)時(shí)關(guān)系。d) 單/雙伸縮桿條件下，30°、50°、60°、90°的測(cè)試扭矩/力比。e,f) 等長肌力測(cè)試可得康復(fù)數(shù)據(jù)。

圖3：關(guān)節(jié)活動(dòng)度模塊表征。a）主動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)試和b）帶有界面液體增強(qiáng)的TENG角度傳感器的示意圖。c）TENG角度傳感器在無/有液體潤滑下的轉(zhuǎn)移電荷量。d）TENG角度傳感器在無/有液體潤滑下的開路電壓。e）Kapton薄膜表面在無/有液體潤滑下100 000次循環(huán)后的SEM圖像。f）主動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)試的實(shí)時(shí)角度信號(hào)、角速度和照片。

圖4：量化膝蓋置換患者的術(shù)后康復(fù)。a)雙能量X射線身體成分分析圖像和數(shù)據(jù)；以及TKA前患者的X射線圖像。c)TKA前后KOOS和KSS評(píng)分的構(gòu)成：0代表TKA手術(shù)日，-1代表手術(shù)前一天，30代表手術(shù)后第30天。d)患者一個(gè)月內(nèi)等長肌肉測(cè)試（伸膝峰值力）。e)TKA前和TKA后一個(gè)月內(nèi)的30°伸膝峰值力和膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度。f)手術(shù)前和手術(shù)后的康復(fù)指標(biāo)比較。g)10名健康受試者的等長肌肉測(cè)試數(shù)據(jù)。一組患者在一個(gè)月內(nèi)的60°等長肌力測(cè)試：h）伸膝峰值力和i）腘繩肌和股四頭肌的力量比值（H/Q）。

圖5：智能支具康復(fù)效果臨床驗(yàn)證。a)支具系統(tǒng)康輔示意圖。b)支具穿戴照片。對(duì)照組和干預(yù)組患者在第1天、第3天和第30天的c)等長肌力數(shù)據(jù)、 d) 膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動(dòng)度、 e）H/Q。f,g)IMTS的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn). h)對(duì)照組和干預(yù)組在第1天，3 ，30天的IMTS得分. i,j)對(duì)照組和干預(yù)組的康復(fù)指標(biāo)。

讀后感

作者設(shè)計(jì)了一種TKA（全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)）患者可自我評(píng)估康復(fù)的便攜式、模塊化和穿戴式智能支具。主要優(yōu)勢(shì)：(1)穿戴式居家康復(fù)監(jiān)測(cè)，量化康復(fù)過程；(2)方便醫(yī)生遠(yuǎn)程指導(dǎo)患者康復(fù)，康復(fù)增強(qiáng)效果顯著；(3)提出了TKA康復(fù)量化標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，簡化康復(fù)評(píng)估。未來，通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析，康復(fù)指導(dǎo)將更加智能，這將提高老年患者的生活質(zhì)量，開辟人工智能（AI）醫(yī)療咨詢新領(lǐng)域。存在問題：醫(yī)療器械推廣離不開器械自身成本的降低和醫(yī)療體系的保障，未來的大規(guī)模應(yīng)用需克服這些問題。