在当今科技飞速发展的时代，传感器技术的应用已经渗透到我们生活的方方面面。膝关节矫形器作为一种辅助康复设备，也不例外。传感器在膝关节矫形器中的应用，不仅为患者带来了更高效、精确的康复体验，还大大提升了康复效果。膝关节矫形器用于帮助患有膝关节损伤或手术后的患者康复。它通常由框架、关节、连接杆等部分组成，可以支撑和稳定膝关节，帮助患者进行行走和日常活动。上海九院3D打印中心王金武教授团队将3D打印技术运用在膝关节矫形支具的设计制造中，研发了新型个性化3D打印单侧减荷式膝关节支具，在个性化治疗的同时还减轻了矫形支具的重量，大幅度提升了患者佩戴矫形支具时的舒适度。九院3D打印中心王金武教授团队研发的膝关节矫形器

传感器在膝关节矫形器中的角色

传感器是膝关节矫形器中的“智慧之脑”，通过感知和收集关于患者行为、姿态、运动等方面的数据，并将这些数据转化为实时的数字信号。

常见的传感器类型包括：

- IMU（惯性测量单元）：用于测量膝关节运动的加速度和关节角度，帮助了解患者的运动姿态。

- 肌电传感器：是用来测量和分析肌肉收缩或舒张时发出的肌电信号，帮助理解患者的肌肉活动情况和运动模式。

- 压力传感器：用于检测患者腿部的压力分布，帮助优化矫形器的支撑结构，减轻关节负荷。

FSR 406薄膜压力传感器（图源于网络）
IMU（惯性测量单元）（图源于网络）肌电传感器（图源于网络）

传感器的应用优势

实时监测：传感器可以实时监测患者的运动状态和步态，及时反馈康复进展，帮助医护人员调整康复计划；个性化定制：传感器收集的数据有助于医护人员制定个性化的康复方案，根据患者的实际情况调整矫形器的支撑角度和力度，最大程度地发挥矫形器的效果；高精度支持：传感器能够精确地感知患者的动作和姿态，瞬间作出相应调整，提供更稳定、舒适的支持；数据分析：通过对传感器数据的分析，医疗团队可以深入了解患者的康复进展和问题，为治疗效果的评估提供客观依据；远程监控：某些膝关节矫形器配备了无线传输功能，传感器数据可以远程传送到医院或医护人员的设备，实现远程监控，及时解决问题。

测量肢体与矫形器压力之间的传感系统

（图源于参考文献）

传感器应用的未来展望

目前上海九院3D打印中心王金武教授团队结合计算机辅助设计和制造技术将膝关节矫形器变得更轻便、舒适。而随着传感器技术的不断进步，未来的膝关节矫形器将更加智能化、轻便化。传感器将变得更小巧、更灵敏，能够更全面地感知患者的运动状态。同时，传感器与人工智能的结合也将为康复领域带来更多可能性，定制化的智能康复方案将变得更加普及，为患者带来更好的治疗效果和生活质量。

参考：

[1] 定制式增材制造膝关节矫形器间室减荷效果的有限元分析. 上海交通大学学报, 2023, 57(5): 560-569.

[2] Rehabilitation of total knee arthroplasty by integrating conjoint isometric myodynamia and real‐time rotation sensing system. Advanced Science, 2022, 9(8): 2105219.

[3] Developments in smart multi-function gait assistive devices for the prevention and treatment of knee osteoarthritis—a literature review. Applied Sciences, 2021, 11(22): 10947.

[4] Design and manufacturing of portable pressure sensor for measuring the interface pressure between the body and (orthosis or socket prosthesis). Journal of Biomimetics, Biomaterials and Biomedical Engineering, 2020, 45: 12-21.