KNEESENSE：一种低成本可穿戴系统，采用液压细丝传感实现实时膝关节康复监测

在家监测膝盖为什么重要

膝部损伤是运动员、工人和老年人中最常见的问题之一。完全康复通常需要数周的指导性练习，但在许多地区诊所数量不足、通勤时间长或费用高昂。本文提出了一种简单、低成本的可穿戴系统，它能把普通护膝变成智能监测器，让人们在家中进行康复练习时跟踪膝关节的屈伸情况——这有望在减少对门诊依赖的同时改善康复效果。

一个面向全球需求的简单想法

全世界数十亿人可能受益于康复治疗，但在许多中低收入国家，多数人从未获得康复服务。膝部问题（从运动损伤到职业劳损和交通事故）尤其普遍。传统康复需要频繁的面对面就诊，即便患者被交代回家做练习，也难以判断他们是否动作正确或是否有进展。现有的家用监测设备要么成本过高、佩戴不适，要么依赖刚性电子元件，无法随身体自然运动。作者们旨在开发一种不同的方案：一种柔软、可负担、便携且在日常环境中能可靠跟踪膝部运动的工具。

把水和弹簧变成智能传感器

系统的核心是一种称为可穿戴液压细丝传感器（WHFS）的微型装置，由注满液体的软硅胶管包裹在金属弹簧内构成。当膝盖弯曲时，护膝拉伸该管道，改变内部液体的压力。这个压力由夹在用户腰部的单独盒子中的小型传感器检测到。由于外部弹簧限制了管道的膨胀方式，大部分液体的运动转化为清晰的压力变化而非随机变形。研究者们仔细研究了管道与弹簧的相互作用——它们的伸长量、压力的增减以及在重复循环中这些行为如何变化——以确定最佳的尺寸和材料。

为精度、舒适性与耐久性做精细调整

团队测试了四种不同的管道与弹簧组合，改变了弹簧刚度和管壁厚度等参数。他们测量了传感器的“记忆效应”（滞后）、对微小拉伸的灵敏度，以及在100次弯曲循环后读数的稳定性。有一种配置脱颖而出，兼具低误差、中等灵敏度和极小的性能衰退。它能检测到约0.2毫米的位移，这足以分辨具有临床意义的膝角变化。研究者随后建立了压力与拉伸、进而与膝角之间的数学模型，使用一条曲线将原始压力值转换为直观的弯曲角度。

从原始压力到可用的手机应用

为了把该传感器变成实用的康复工具，作者构建了一个完整的系统。带有WHFS的护膝通过细管连接到一个包含压力传感器、电池、蓝牙无线模块和一个自动管理管内水量的小阀门的盒子。智能手机应用接收压力数据，实时将其转换为膝角，并以简洁的动态图表显示用户的动作。由于每个人腿型不同，应用引导用户通过四个固定的膝位完成简短校准过程，然后利用这些参考点为该用户定制压力—角度转换关系。在使用3D打印腿模型的实验室测试中，该系统在大范围运动下估算膝角的误差约为4度，与许多更昂贵的设备相比具有竞争力。

这对日常康复可能意味着什么

对受伤的患者或繁忙的治疗师而言，最重要的问题是这种设备能否让康复更易获得且更有效。该方案成本仅为数十美元，柔软且重量轻，能够实时将膝角信息无线传输到手机。尽管目前仅在健康志愿者和实验室模型上进行了演示，而非大规模患者群体，但结果表明，一根简单的注水细丝配合弹簧即可与更复杂的电子设备在追踪膝部运动上相媲美。经过进一步改进和临床验证，这种方法有望将基于数据、具指导性的膝关节康复带入人们的家庭，尤其是在专科护理资源有限的地区。

引用: Phan, N.A., Ngo, S.T., Phan, M.T. et al. KNEESENSE: a low-cost wearable system with hydraulic filament sensing for real-time knee rehabilitation monitoring. Sci Rep 16, 12572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42424-z

关键词: 膝关节康复, 可穿戴传感器, 家庭康复, 软体机器人学, 液压传感