研究背景

近年来，世界人口老龄化问题愈发突出，发展更好的老年护理的技术受到了广泛关注。其中，膝关节骨性关节炎是最常见的老年性疾病之一，可以通过全膝关节置换术（TKA，国内年手术量200万例以上）进行有效治疗。然而，目前的康复监测技术存在巨大挑战，大量患者在康复过程中备受煎熬。传统肌肉测试系统体积庞大、专业人员依赖性强；惯性测量单元（IMU）存在累计误差、无法评估肌力的问题，亟需一种新型的康复监测系统。

创新点

中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、唐伟研究员、李舟研究员联合湘雅医院李宇晟主任医师团队设计了一种模块化、便携、穿戴膝盖支具系统。利用转动栅格结构的摩擦纳米发电机（TENG）实现主动关节活动度测量，利用机械结构实现等长肌力测试。在传统支具的基础上，仅增重71g，便可增加两项康复监测功能，且最小分辨率分别为0.01 N和1 °。文章对该系统的可行性和康复效果进行了临床条件，未来推广该系统将有助于膝盖置换患者的术后康复，以及搭载远程AI个性化康复平台。

文章解析

图1：康复支具系统示意图。a)模块化支具系统穿戴图和爆炸图。支架系统包括：i)力传感器；ii)与支具弯曲角度30°、50°、60°、90°对应的伸缩杆；iii)用于伸缩杆固定和拆卸的快扣；iv)力传感器电路；v)TENG角度传感器；vi)TENG角度传感器电路。b)数据收集和传输的草图。c)支具测试照片。

图2：肌力监测模块表征。a）肌力模块的测试示意图。b)信号采集和可视化流程图。c) 力和扭矩之间的实时关系。d) 单/双伸缩杆条件下，30°、50°、60°、90°的测试扭矩/力比。e,f) 等长肌力测试可得康复数据。

图3：关节活动度模块表征。a）主动关节活动度测试和b）带有界面液体增强的TENG角度传感器的示意图。c）TENG角度传感器在无/有液体润滑下的转移电荷量。d）TENG角度传感器在无/有液体润滑下的开路电压。e）Kapton薄膜表面在无/有液体润滑下100 000次循环后的SEM图像。f）主动关节活动度测试的实时角度信号、角速度和照片。

图4：量化膝盖置换患者的术后康复。a)双能量X射线身体成分分析图像和数据；以及TKA前患者的X射线图像。c)TKA前后KOOS和KSS评分的构成：0代表TKA手术日，-1代表手术前一天，30代表手术后第30天。d)患者一个月内等长肌肉测试（伸膝峰值力）。e)TKA前和TKA后一个月内的30°伸膝峰值力和膝关节活动度。f)手术前和手术后的康复指标比较。g)10名健康受试者的等长肌肉测试数据。一组患者在一个月内的60°等长肌力测试：h）伸膝峰值力和i）腘绳肌和股四头肌的力量比值（H/Q）。

图5：智能支具康复效果临床验证。a)支具系统康辅示意图。b)支具穿戴照片。对照组和干预组患者在第1天、第3天和第30天的c)等长肌力数据、 d) 膝关节关节活动度、 e）H/Q。f,g)IMTS的评分标准. h)对照组和干预组在第1天，3 ，30天的IMTS得分. i,j)对照组和干预组的康复指标。

读后感

作者设计了一种TKA（全膝关节置换术）患者可自我评估康复的便携式、模块化和穿戴式智能支具。主要优势：(1)穿戴式居家康复监测，量化康复过程；(2)方便医生远程指导患者康复，康复增强效果显著；(3)提出了TKA康复量化标准指标，简化康复评估。未来，通过结合机器学习与大数据分析，康复指导将更加智能，这将提高老年患者的生活质量，开辟人工智能（AI）医疗咨询新领域。存在问题：医疗器械推广离不开器械自身成本的降低和医疗体系的保障，未来的大规模应用需克服这些问题。