屈純 常智俐 楊威 姚俊

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所 應(yīng)急救生與安全防護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 4414003)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和醫(yī)療水平提高，人群期望壽命越來越高，人口不斷老齡化，人們?cè)絹碓疥P(guān)注老年人的健康及生活質(zhì)量。在影響健康的因素中跌倒由于發(fā)生率高、后果嚴(yán)重及其疾病負(fù)擔(dān)巨大，不論是在發(fā)達(dá)國家，還是在發(fā)展中國家均已證明是一個(gè)威脅老年人生命和健康的重要原因，已成為老年人傷害致死的首位死因〔1〕。如何降低或者消除老年人的跌倒傷害及對(duì)老年人進(jìn)行有效保護(hù)，已成為保護(hù)老年人的當(dāng)務(wù)之急，特別是對(duì)于我國逐步走向老齡化社會(huì)來說這點(diǎn)非常有必要。

1 老年人髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊的發(fā)展概況

1.1老年人髖關(guān)節(jié)防護(hù)的需求 據(jù)央視新聞?lì)l道報(bào)道，在我國每年有4 000萬65歲以上的老年人意外跌倒。它所造成后果也非常嚴(yán)重，老年人意外死亡中2/3都是跌倒所致，75歲以上老年人意外死亡中跌倒占70%〔2，3〕。而在所有的跌倒損傷中，髖關(guān)節(jié)骨折是危害性最大的，也被成為是“人生最后一次骨折”。因?yàn)轶y關(guān)節(jié)骨折后，絕大部分老年人由于身體和高齡原因無法進(jìn)行手術(shù)，無奈只能選擇臥床不起，這樣會(huì)造成老年人進(jìn)一步的功能減退，不久就會(huì)死亡〔4～6〕。

如何避免老年人“人生最后一次骨折”悲劇上演，已成為近年來健康養(yǎng)老康復(fù)產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)〔7，8〕。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的老年人陪護(hù)、跌倒檢測(cè)、報(bào)警與救護(hù)產(chǎn)品及醫(yī)學(xué)上的跌倒干預(yù)方法的應(yīng)用在一定程度上起到了對(duì)老年人跌倒救助作用〔9～11〕。然而，這些產(chǎn)品及方法所實(shí)現(xiàn)的功能大都是在檢測(cè)到人體跌倒后報(bào)警，再通過短信、電話或定位等方式，通知外界或家人及時(shí)前往求助。由于跌倒已經(jīng)實(shí)際發(fā)生，這些產(chǎn)品并未從根本上避免跌倒對(duì)老年人所產(chǎn)生的傷害。為解決傳統(tǒng)跌倒防護(hù)產(chǎn)品存在的問題，越來越多的科技應(yīng)對(duì)方法被應(yīng)用到了跌倒防護(hù)中，或是通過人體活動(dòng)干預(yù)防止或減少老年人跌倒發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，或是在老年人跌倒落地前對(duì)人體進(jìn)行保護(hù)，嘗試從根本上避免或減輕跌倒傷害，該類技術(shù)代表了老年人跌倒防護(hù)的未來〔12～14〕。

1.2國外髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊發(fā)展現(xiàn)狀 國外對(duì)于髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊的研究，較為知名的有法國Helite公司、美國Active Protective公司、日本的Prop公司、荷蘭WOLK公司和以色列的Hip-Hope氣囊公司，其產(chǎn)品原理較為類似。其中法國Helite公司的髖部腰帶氣囊曾在2018年1月的CES展會(huì)上展出，并于2018年上半年小批量供貨于歐洲市場(chǎng)，全球其他區(qū)

域尚無法購買；荷蘭WOLK公司也推出一款符合人體工程學(xué)的圍裙式髖關(guān)節(jié)保護(hù)氣囊，穿在衣服里面，具有友好的人機(jī)交互設(shè)計(jì)；以色列的Hip-Hope設(shè)計(jì)成帶狀裝置，包含一組獨(dú)特的傳感器和檢測(cè)邏輯，一旦檢測(cè)到即將撞擊地面，系統(tǒng)可立即激活兩個(gè)快速展開的安全氣囊；美國ActiveProtective公司研究的氣囊，出現(xiàn)在2017年的CES展會(huì)上，它可以像腰帶一樣戴在衣服上，內(nèi)置3D運(yùn)動(dòng)傳感器，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)非典型運(yùn)動(dòng)，并利用冷氣體發(fā)生器使氣囊彈出，保護(hù)老年人臀部?jī)蓚?cè)。日本Prop公司對(duì)可穿戴氣囊的研究最初見報(bào)于2009年，被設(shè)計(jì)稱背包樣式，當(dāng)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)穿戴者跌倒時(shí)，可以迅速打開氣囊，防護(hù)人體的髖部、臀部和后腦部〔14～18〕。見表1，圖1。

表1 國外髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊產(chǎn)品

圖1 國外髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊

上述的產(chǎn)品大都還處于研制或者是小范圍試戴、評(píng)估階段，僅有法國Helite公司和荷蘭WOLK公司的產(chǎn)品通過其官網(wǎng)在歐洲范圍內(nèi)銷售，中國大陸地區(qū)還無法直接購買。

1.3國內(nèi)髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊發(fā)展現(xiàn)狀 我國對(duì)于這種穿戴式髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊的研究，起步較晚，目前多在高校和研究所進(jìn)行；有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、浙江大學(xué)等〔19～21〕，不過它們的研究多注重跌倒識(shí)別和預(yù)警，對(duì)于穿戴式防護(hù)氣囊和充產(chǎn)氣裝置涉及很少。對(duì)穿戴式跌倒防護(hù)氣囊全系統(tǒng)及其核心部件有深入研究的有香港中文大學(xué)和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院〔22，23〕，但至今也僅處于試驗(yàn)階段，未有實(shí)物產(chǎn)品(圖2)；深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的產(chǎn)品為腰包樣式，不僅可以提供應(yīng)急防護(hù)，還具備儲(chǔ)物等功能(圖3)。

湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所也為老年人的髖關(guān)節(jié)防護(hù)研制了一套智能防護(hù)氣囊系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由跌倒預(yù)先識(shí)別模塊、快速充氣氣源模塊和氣囊/氣囊衣組件3部分構(gòu)成〔24〕(圖4)。

跌倒預(yù)先識(shí)別模塊被設(shè)計(jì)成了腰帶卡扣樣式，可實(shí)現(xiàn)插上即開、拔掉即關(guān)的功能；氣囊囊體采用聚氨酯(TPU)材料，具備高張力、高拉力、耐老化和耐受性好的特點(diǎn)，整個(gè)氣囊經(jīng)折疊后布置在馬甲下擺的內(nèi)襯里，穿戴起來輕薄舒適，氣囊展開后從馬甲下擺里伸出，包裹住人體的整個(gè)腰部，對(duì)髖關(guān)節(jié)、臀部起到防護(hù)作用；快速充氣氣源模塊采用壓縮氣瓶和刺針設(shè)計(jì)，執(zhí)行響應(yīng)時(shí)間快，通過密封設(shè)計(jì)確保安全，氣囊可在200 ms的時(shí)間完全展開。

圖2 香港中文大學(xué)穿戴式跌倒防護(hù)氣囊設(shè)計(jì)

圖3 深研院穿戴式跌倒防護(hù)氣囊產(chǎn)品

圖4 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所穿戴式跌倒防護(hù)氣囊產(chǎn)品

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1跌倒識(shí)別與預(yù)警技術(shù) 跌倒識(shí)別與預(yù)警技術(shù)在本系統(tǒng)中用以檢測(cè)和識(shí)別人體是否跌倒，從而決定是否啟動(dòng)氣囊充氣；又由于髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊系統(tǒng)的氣囊打開是在人體跌倒但尚未落地之前，而跌倒是人在無意識(shí)情況下，人體由站立、平坐或其他姿態(tài)快速過渡到躺倒姿態(tài)，這一過程發(fā)生的時(shí)間一般在600～800 ms，因此必須要求跌倒動(dòng)作識(shí)別和預(yù)警的時(shí)間要快速準(zhǔn)確，且是在身體還未著地前就給出準(zhǔn)確的預(yù)警信號(hào)，如圖5所示，跌倒識(shí)別與預(yù)警必須在T1～T2的時(shí)間內(nèi)做出準(zhǔn)確判斷，而這一時(shí)間比跌倒發(fā)生的總時(shí)間更短，一般在500 ms以內(nèi)，因此該技術(shù)屬于髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，也是其難點(diǎn)所在。跌倒事件發(fā)生過程中，人體的加速度、速度和角速度等矢量均發(fā)生了變化。依據(jù)此原理，提取人體的姿態(tài)特征(如加速度、角速度、位移、傾角等)參數(shù)，對(duì)使用者的跌倒?fàn)顟B(tài)進(jìn)行建模，以此對(duì)人體的跌倒進(jìn)行預(yù)警〔25～27〕。跌倒識(shí)別與預(yù)警技術(shù)對(duì)于老年人跌倒識(shí)別的準(zhǔn)確率和誤報(bào)率直接決定該產(chǎn)品的可靠性。因此該技術(shù)的研發(fā)與改進(jìn)不僅需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行嚴(yán)苛實(shí)驗(yàn)，還要在老年人真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與測(cè)試。

WOLK氣囊系統(tǒng)在投放市場(chǎng)前，在實(shí)驗(yàn)室中和現(xiàn)實(shí)生活中均進(jìn)行了各種模擬測(cè)試，投放市場(chǎng)后有超過80名老年人佩戴WOLK氣囊系統(tǒng)共同生活超過1 750 d，這些人一般家里或養(yǎng)老院，他們實(shí)際的活動(dòng)數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)產(chǎn)品本身進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化。法國Helite公司的工程師也針對(duì)電子系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜人體運(yùn)動(dòng)分析的課題進(jìn)行了深入研究并通過了大量人體實(shí)驗(yàn)，研發(fā)過程工程師記錄了數(shù)百次跌倒并監(jiān)測(cè)老年人的情緒，這一時(shí)間大約持續(xù)了10年；最終還有醫(yī)生和護(hù)理人員選擇了一個(gè)由50例患者組成的小組來測(cè)試該產(chǎn)品，最終產(chǎn)品在2018年投放。美國Active Protective自2012年底成立以來，已經(jīng)籌集了千萬美元用于研發(fā)，并在加利福尼亞州北部的一家高級(jí)護(hù)理機(jī)構(gòu)和美國最大的急癥護(hù)理服務(wù)提供商進(jìn)行試點(diǎn)，用于驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性，其中最主要的目的之一就是驗(yàn)證和完善跌倒識(shí)別與預(yù)警技術(shù)。

2.2高安全性快速充氣氣源技術(shù) 高安全性快速充氣氣源是跌倒防護(hù)氣囊的核心模塊之一，它負(fù)責(zé)接收到跌倒預(yù)警信號(hào)后啟動(dòng)產(chǎn)氣，并快速將氣體充入事先折疊好的氣囊中，快速打開氣囊包裹住人體髖關(guān)節(jié)，形成緩沖。老年人髖關(guān)節(jié)跌倒防護(hù)氣囊是人體近身使用的系統(tǒng)，對(duì)氣源裝置的要求極高，有其特殊性。由于跌倒發(fā)生的時(shí)間極短，因此要求發(fā)生器的充產(chǎn)氣速度快；同時(shí)發(fā)生器工作還不能對(duì)人體產(chǎn)生傷害和影響，故還要求發(fā)生器激發(fā)瞬間聲音小、氣體溫度低、氣體無毒害等。這一技術(shù)最早源于汽車安全氣囊氣體發(fā)生器，但由于汽車上較多使用的煙火式氣體發(fā)生器氣體溫度高，存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，目前國內(nèi)外采用的高安全性快速充氣氣源大多是壓縮氣瓶，只是打開壓縮氣瓶的方式存在差異，這也是造成氣源充氣時(shí)間快慢的根本原因〔28，29〕。

圖5 人體跌倒與氣囊系統(tǒng)工作流程

法國Helite公司的氣囊產(chǎn)品采用火藥力推動(dòng)刺針的方式打開壓縮氣瓶，其對(duì)氣囊的充氣速度極快，時(shí)間僅為80 ms；美國Active Protective公司正在研制的產(chǎn)品采用專門研制的冷氣發(fā)生器(cold-gas inflator)，可確保氣囊充氣時(shí)間小于300 ms；日本PROP氣源打開采用火藥熔穿的方式，氣囊充氣時(shí)間約為120 ms；香港中文大學(xué)和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)刺針的方式，氣囊充氣時(shí)間在400 ms左右。安全快速的充氣氣源技術(shù)是確保髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊可靠性的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，在人體跌倒時(shí)間較短的事實(shí)情況下，氣源對(duì)氣囊的充氣時(shí)間越短，預(yù)留給跌倒識(shí)別和預(yù)警的時(shí)間就越長(zhǎng)，相對(duì)來講，跌倒預(yù)警的準(zhǔn)確率會(huì)越高，誤報(bào)率也會(huì)顯著下降。

3 未來研究和發(fā)展趨勢(shì)

在全球范圍內(nèi)，目前已投放市場(chǎng)和正在研制過程中的髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊產(chǎn)品，在功能上均是實(shí)現(xiàn)跌倒動(dòng)作預(yù)警和氣囊防護(hù)，少數(shù)產(chǎn)品具備與手機(jī)APP互聯(lián)功能，可實(shí)現(xiàn)跌倒報(bào)警和信息分享。

隨著我國醫(yī)療大數(shù)據(jù)和健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊產(chǎn)品可以集成更多的穿戴式健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，例如，血壓、心率的實(shí)時(shí)監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人身體功能與健康狀況的隨時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，并對(duì)他們未來的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)老年人日常生活習(xí)慣、飲食與運(yùn)動(dòng)提出指導(dǎo)和建議。髖關(guān)節(jié)防護(hù)氣囊產(chǎn)品還可以集成GPS定位，并進(jìn)行信息共享，實(shí)現(xiàn)跌倒預(yù)警與醫(yī)院、社區(qū)、家人聯(lián)動(dòng)。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到老年人跌倒，若跌倒傷害較為嚴(yán)重，立刻將跌倒位置發(fā)送到醫(yī)院、社區(qū)康養(yǎng)機(jī)構(gòu)和家屬對(duì)應(yīng)的信息平臺(tái)，以便實(shí)現(xiàn)更加快速有效的救助。另外，未來跌倒防護(hù)氣囊的防護(hù)范圍將不僅僅局限于髖關(guān)節(jié)防護(hù)，可以拓展到更多的部位，以氣囊衣的形態(tài)，在人體頭部、頸部、肩背部、髖部、臀部等關(guān)鍵部位均設(shè)置氣囊，實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人上肢體的全方位防護(hù)。