基于柔性传感器的可穿戴设备在康复领域中的应用

基于柔性传感器的可穿戴设备在康复领
域中的应用
摘要：随着社会的发展，医疗健康领域逐步走向智能化，可穿戴设备也逐渐
成为医疗领域的关注焦点。

可穿戴设备在医疗领域主要应用于健康监测、运动传感、人群大健康分析等，这与康复医学“功能复健，健康促进”的最终目标不谋
而合，康复医学将会是可穿戴设备在医疗健康领域的重要应用学科。

可穿戴设备
的工作形式是佩戴在身上并需长时间与身体接触，这样的作用特点使得用户对设
备的穿戴舒适性、美观性要求较高，现有可穿戴设备很难做到这一点，但材料创
新或许能够成为新的突破口。

目前市场上售卖的可穿戴设备如智能手表、智能眼
镜等多由刚性材料制成，刚性材料的延展性和贴合性均较差，且材料密度大，很
难满足用户对贴身设备舒适轻便的需求。

关键词：柔性传感器；可穿戴设备；康复领域；应用
引言
可穿戴设备是指直接穿在身上或整合到衣服、配件上的一种便携式设备，主
要通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。

其形式多样，因便携、能耗低、体积小等特点，市场上以手环、手表、贴片等设备应用最为广泛。

随着最初谷歌眼镜的诞生，到现在众所周知的Applewatch、小米智能手环等，都
是可穿戴设备应用于人们生活中的体现。

目前国外的可穿戴技术相对完善，中国
起步较晚，但近几年发展较快，也预示着可穿戴设备将会是未来科技发展的一个
重要方向。

发电供能行业朝着绿色、健康、环保的方向发展。

常用的新能源发电
包含风力发电技术、太阳能发电技术、水能发电技术、地热能发电技术等。

这些
可再生能源有利于保障人们的生活与生产，促进供能行业的可持续发展。

近年来，可穿戴设备逐渐进入人们的生活中，可以轻松、舒适地穿戴在人体部位上，起到
保护、监测、预警的作用，因此，得到了广泛的关注。

考虑到人们活动环境的复
杂性，开发持久性强、稳定性高的可穿戴技术对可穿戴设备的广泛应用具有重要
作用。

例如，随着现代电力行业的飞速发展，智能化可穿戴电子设备在电力巡检
运维作业过程中的作用日益突显，需要更多智能化、易操作的可穿戴设备与巡检
人员的高强度工作匹配。

然而，目前巡检现场的大多数智能柔性可穿戴设备不能
独立工作，需要依靠外部电源。

由于可穿戴设备有限的设计空间不利于储能设备
的扩容，同时冗杂的电源会带来不可避免的电子垃圾和环境破坏。

缺乏灵活、可
伸展和小型化的能源供应设备导致不能为长时间的工作下提供足够的电能。

因此，设计独立、轻便、长续航的供能设备迫在眉睫。

当前，通过外部能量转换成电能供给微型设备的技术还处在初级阶段，如压
电材料利用压电效应将振动能量转化为电能，输出电压由施加在压电材料的机械
应力大小决定，但是在微型设备上设计微型压电结构仍然具有较大难度。

因此，
如何将成熟的电能生产技术运用到智能可穿戴设备成为当前研究的热点。

此外，
现代集成电路不断朝着低工作电压和低能耗的方向发展，降低设备供能的要求，
因此，可穿戴设备的能耗也需要进一步降低。

目前可穿戴设备的供能主要通过外
部充电的电池提供，需要不断地进行外部补充电能，一定程度限制了设备的自主性。

综上所述，新型供能技术的发展显得非常迫切，其研究成果有利于扩大可穿
戴设备的应用。

持续的能源供应作为可穿戴电子设备的运行基础，其优化改进和创新型研究
对可穿戴系统具有重要的意义和影响。

本文综合了近年来的多项研究成果，首先
从微能采集和能量储存角度对可穿戴设备供能研究现状进行阐述；其次，深入探
讨了两种技术集成的应用研究；然后，介绍了自供电传感器与两者耦合的创新研究；最后，对可穿戴设备供电的未来趋势进行了展望。

1研究背景
柔性混合电路(flexible hybrid circuit, FHC)是一种将刚性电子芯片
和柔性印刷电路组装并电气连接的新型电路。

该电路不仅具有芯片的信号处理能力,而且还能够保持柔性印刷电路的柔韧性。

FHC被广泛应用于监测血糖、心率和
血氧等人体生理信号的可穿戴设备中。

为了将刚性电子芯片和柔性印刷电路组装
成FHC并实现电气连接,学者们开展了诸多研究。

使用含有银纳米微粒的各向同
性导电粘合剂将贴片电阻组装到柔性印刷电路上。

使用液态金属油墨实现了小外
形封装芯片与柔性印刷电路之间的电气连接。

随着芯片集成度的提升,对FHC组装精度的要求也越来越高。

使用含铋的低熔点焊锡将无引脚封装芯片组装在柔性印刷电路上,低熔点焊锡具有焊接精度高、连接强度高和电气性能良好等优点,因而被广泛应用于FHC的组装工艺中。

使用各向异性导电薄膜实现在柔性印刷电路上组装带有微米级尺度焊盘的硅芯片模具。

然而,以上方法均只实现了FHC的电气连接,对于FHC的电气可靠性问题缺少系统性研究。

由于芯片和柔性印刷电路之间弹性模量差异较大(芯片的弹性模量约为200GPa,柔性印刷电路的弹性模量约为2.5GPa),这会导致在它们的连接点处应力集中,容易产生断裂缺陷,严重降低了FHC的电气可靠性。

引入人工设计的补强结构,可以提高连接点的强度。

例如,柔性印刷电路制造厂常在柔性印刷电路底层添加补强板,但是相较于柔性印刷电路基板而言,补强板硬且厚,难与人体共形贴合且舒适性差。

与FHC的可靠性问题类似,采用传统的硬质印刷电路板(printed circuit board, PCB)对芯片的连接点进行底部填充,可以减小由于电子芯片和PCB之间热膨胀系数差异引起的热应力,从而提升焊点的热疲劳强度和机械强度。

然而目前鲜有关于底部填充对FHC 电气连接强度和电气连接稳定性影响的研究,且在可穿戴设备应用中有关底部填充对传感信号稳定性影响的研究尤为少见。

2柔性可穿戴设备在康复医学中的应用
2.1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。

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。

制作了小型压电柔性传感器，将5个传感器以3.0mm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。

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。

机械能的收集方式有多种，如行走等
产生电能的压电采集器，机械振动导致可变电容变化产生电能的静电发电机，人
体运动带动切割磁感线产生电能的电磁感应收集器，摩擦产生静电电荷的摩擦发
电机等。

在诸多能量来源中，利用人体运动产生电能的方式应该是可穿戴设备最
有利的解决方案之一。

传统机械能微型发电机对湿度敏感，存在着机械损坏和失效，发电不连续等
问题。

结合纳米技术以摩擦纳米发电机为代表的新型发电机，不仅重量轻、材料
选择丰富、结构多样、易生产且成本低，还具有高柔性、供能稳定、适用性强等
特性，可以与各种微型发电装置有效结合。

但是，在能量容量、摩擦波动性以及
电阻抗性等方面仍需要进一步改进。

通过静电纺丝和电喷雾的方法来构建可穿戴
的动力纺织品，从人体运动中获取多种生物力学能量，并有效地将其转化为稳定
的电能，该织物的有效面积为16 cm2，在50 MΩ的负载下可以提供80 mW/m2的
功率密度。

但由于人体运动存在的非稳态振动导致供能不稳，需要制定相应的框
架以提高输出功率。

提出结合机器学习和分析的方法获取库仑力参数发生器装置（CFPG）中静电力最优值，从而使输出功率最大化。

随后采用绝对加速度自适应
估计最优静电力的新方法，结果显示基于动能的微能收集器输出功率有较大改善。

综上所述，机械能采集表现出可控、紧凑和轻质的优点，但是，时常会因为
输出电压过高造成设备损坏，同时结构较为复杂，需要通过相关电路进行输出调节。

2.2神经系统康复
在神经系统康复中，可穿戴设备可用于监测患者步态参数，通过分析得出步
态报告，有助于医师随时掌握患者的信息，对康复方案及时地做出调整。

步态分
析是康复中最常用的评定指标之一，有助于疾病的诊断、治疗与评估。

近年来，
可自动识别步态参数的可穿戴式步态分析传感器在脑卒中、小儿脑瘫的康复与治
疗中取得显著进展，通过自动识别患者的步态参数[1]，为康复与治疗提供信息反馈，甚至可以改变手术决策。

在Smith等研制的穿戴式步态分析设备中，用户只
需要佩戴一个小腰包，便可以监测日常行为活动与跌倒行为，并记录下治疗前后
步态和跌倒信息。

Biosensics公司的LEG Sys™，在进行步态分析的同时，还使用
摄像头进行动作捕捉，通过蓝牙将数据传输到APP，用户的步态报告可直接通过
E-mail发送至手机端查看。

在神经系统康复中，步态检测功能是可穿戴设备目前
应用最集中的板块。

2.3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[2]。

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：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，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，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[3]，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，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。

结语
智能可穿戴设备是随多学科交叉应运而生的监护手段，具有无线、便携、实时、多参数等特点，在患者术前活动功能评估、术后增加患者活动并持续监测以
早期发现生命体征变化方面具有实用价值。

目前，国内智能可穿戴设备在ERAS
（加速康复外科）领域的应用仍处于探索和试点阶段，而且关于应用可穿戴设备
监测直接改善手术患者临床结局的随机对照研究不多，可能由于设备的多样性以
及研究设计的异质性等原因，目前不同的研究甚至得出相互矛盾的结论。

国内外需进行大规模高质量的多中心临床试验，为将智能可穿戴设备应用于ERAS领域并改善术后患者的临床结局提供更多临床证据。

参考文献
[1] 来勇臣.基于互联网+区域云影像技术,探索建立帮扶型医疗联合体[J].智慧健康,2016,2(4):21-24.
•[2]柔性可穿戴传感器及大面积阵列制造新方法[J].赵婷婷;李痛快;原理;张建华.自然杂志,2022(04)
•[3]蚕丝基柔性可穿戴传感器在人体健康监测中的研究进展[J].杜姗;魏云航;谭宇浩;周金利;杨红英;周伟涛.材料导报。