Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2021年第11期
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文章编号：2095－6835（2021）11－0097－03
邬佳妮，周冬梅，胡钜涛，陈红霞，施宇
（上海健康医学院，上海201318）
摘要：分析气囊式防摔倒智能服装如何降低老年人跌倒受伤风险能力，并形成综述。通过分析气囊防摔倒智能 服装的设计、原理结构，以及针对老年人骨折常见的跌倒所致的骨折疾病进行分析、比较，可知气囊结构在一定程度上可以降低跌倒碰撞所产生的冲击力对于髋部、胸腰椎、桡骨的作用，吸收部分能量，分流压力，减少跌倒所带来的风险。由此得出，气囊式防摔倒智能服装可以有效降低老年人跌倒受伤的风险，起到保护作用。关键词：防摔服装；跌倒；老年人；防护中图分类号：TS941.73 手指灯
文献标志码：A
DOI ：10.15913/jki.kjycx.2021.11.041
聚光体随着人们生活质量和健康水平持续提高，社会经济以及医疗保健事业前进上升，人类的平均寿命在逐渐延长，老年人口不断增多是必然趋势。截至2018年，中国65岁及以上人口规模为16658万人，占11.9%，老年人口数量世界排名处于首位，相比1953年，增加了将近6倍[1]。跌倒是指人受到外力的冲击或自身平衡力的失调，打破了人体下肢步态的运动频率，导致躯干出现突发、不自主的、非故意的体位改变，摔倒在地上或更低的平面上的现象[2]。
中国60岁以上老年人意外伤害的首要因素为跌落，占比为59.92%[3]。据世界卫生组织调查[4]显示，跌倒是全球老年人面临的主要健康问题，跌伤是世界各地意外或非故意伤害死亡的第二大原因，在致命的跌伤中，65岁以上的老年人所占比例最大。跌倒是造成老人骨折的主要原因[5]，虽然骨折本身不一定威胁老人的生命，但老人在受伤后活动能力下降并长期卧床，易发生肺炎、压疮和静脉炎等严重并发症，死亡率较一般骨折者高。气囊式防摔倒智能服装主要通过弹出的气囊形成缓冲对老年人起到保护作用而减轻跌倒损伤。本文主要采用分析法，将从防摔服的设计使用、原理结构等方面来分析其降低老年人跌倒受伤风险的能力。1气囊式防摔倒智能服装的设计
船用靠球
1.1气囊式防摔倒智能服装应具备的基本结构
气囊式防摔倒智能服装的主要部分为气囊装置。气囊装置的基本作用机理是在感知到危险时，气瓶内的气体迅速释放，充满气囊，气体形成的保护区增加了缓冲面积，减少了跌倒碰撞所带来的冲击力，以此来保护使用者。1.1.1 气囊的充气装置
气囊充气分为人工充气和自动充气两种，人工充气顾名思义是需要人为吹气或者通过充气管注入空气；自动充气则是内置高压气瓶，需要时释放对气囊进行充气。有学者曾通过高速动态记录仪测量模拟人体跌倒所发生的时间，该过程
大概需要0.8s [6]。法国Helite 公司所研发的HELITE Hip Air 防摔气囊可以在0.2s 内检测到跌倒的发生，在80ms 内完成充气过程。日本Prop 公司发明了一种能防止老年人摔倒后受伤的安全气袋[7]，这种气袋测出使用者正在朝地面加速倾倒的话，就会在1/10s 的时间内充气。国内苏州衣带保智能技术有限公司所生产制造的老仁“不怕摔”智能防摔气囊在检测到跌倒这一行为后，能在0.18s 内迅速打开气囊起到保护作用，打开的时间远远少于人体跌倒所需要的时间。1.1.2
气囊的启动装置
气囊的启动装置包括手动和自动启动，手动启动需要人为打开启动充气阀，释放微型高压气瓶气体实
现防护功能，这种设置一般应用于救援类服装。自动启动则是安全气囊传感器接收撞击信号，只要达到特定的强度，传感器即产生动作并向电子控制器发出信号，气瓶立即释放气体进行充气。中国广州市信安智囊科技有限公司所生产的老人防摔气囊腰带就是使用了One-PieceWoven （OPW ）囊袋织造技术，内置惰性压缩气瓶，落地时自动感应释放气瓶进行充气。1.1.3
体征监测及预警系统
体征监测系统主要是对穿着者的呼吸、心跳、脉搏、体温等生命体征进行实时监测，可以随时查看老年人的身体健康状态，记录身体各项数据，指标不正常时自动预警。现如今主要基于Micro-Electro-Mechanical System （MEMS ）惯性传感器[8]来实现的可穿戴式传感技术比较常见。MEMS 也就是微机电系统，指尺寸为几毫米或更小的高科技装置，其内部结构一般为微米甚至纳米量级，是独立的智能系统。市场上的许多品牌防摔服都利用了可穿戴传感技术，它可以起到实时身体监测作用，确保在使用者发生意外情况时及时预警，发出求救。苏州衣带保智能技术有限公司所研发的老仁“不怕摔”智能防摔气囊，配备可穿戴设备，并配有手机APP 软件远程连接支持，提供预警、健康数据显示等功能。
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·98·2021年第11期
1.1.4跌倒检测系统
已有的跌倒检测方案大致分为基于视频、声学等人体周围环境信息和基于穿戴式的跌倒检测[9]。基于视频、声学等人体周围环境信息的检测包括基于视频的图像传感器、基于音频的声音传感器、基于无线和电磁波的传感器。穿戴式的跌倒检测主要是通过佩戴小的传感器进行数据检测，包括惯性传感器、基于加速度传感器、基于倾角传感器、基于压力传感器和多传感器并存。可穿戴式的跌倒检测系统是目前研究的主要趋势[10]，加速度传感器通过佩戴于穿着者身上来获取人体的运动状态，这是目前比较常用的跌倒检测方式。日本早稻田大学的TOSHIYO T等人[11]在2011年开发出一种可穿戴式安全气囊，其跌倒检测系统以加速度和角速度信号作为气囊触发器信号，能在跌倒前300ms触发气囊膨胀。1.1.5服装材质
气囊式防摔倒智能服装的材料结构大致分为核心缓冲材质和表层材料。缓冲层材质主要用于吸收外部冲击力量，形成缓冲，降低或者分流压力。如今可用于吸收能量起缓冲作用的材质主要包括硬质分流型、软质吸能型、硬-软组合型防护三种[12]。其中防护性能最为理想的是硬-软组合型材质，其外层为硬壳，软质内层，可以分流作用压力保护骨骼。国外就曾有学者利用此结构制成髋骨保护器[13]，外部采用刚硬材质，内层采用的柔软聚氨酯材料可以降低将近75%的外部冲击力。软质结构材料吸能也相对比较常见，如使用质地较软的聚乙烯材质，它具有优良的耐低温性能且化学稳定性好，减少冲击所产生的碰撞力。而硬质分流就相对没有那么主流，其不仅舒适性差、柔韧性差，也不利于在日常生活中使用，因此国内相关研究较少。此外，因为是防摔类服装，其表层材料的耐磨性显得格外重要，例如尼龙、牛津布、合成纤维等这种耐磨材料就比较适合。
1.2气囊式防摔倒智能服装的穿着情景
此类产品适用于日常生活，对老年人时刻起到保护和降低跌倒受伤风险作用。因为相对于其他人，老年人常会伴有一些老年综合征，包括老年性骨质疏松、日常活动能力下降等，还有一些带有一些基础性疾病，可能发生意外跌伤。有需要的康复机构、手术后处于恢复期的易摔人也可使用。马术、摩托车职业选手等也常使用气囊防摔服来保证安全。2气囊式防摔倒智能服装的作用
2.1髋部防护结构
髋部的常见骨折类型主要包括股骨颈骨折、股骨粗隆间骨折和盆骨骨折。就股骨颈骨折而言，不同部位损伤造成的骨折严重程度也不尽相同。通常情况下股骨颈骨折线部位越高，对于股骨头血运的破环就越严重，发生缺血坏死的可能性就越高。因此，防摔服的结构要求髋部需紧贴股骨颈、股骨大转子部位，紧贴大腿保护，这样很大程度上有利于减少风险。目前，业内公认马蹄形髋关节保护器对该部位保护效果最好。法国Helite公司所研发的HELITE Hip Air穿戴式安全气囊是一款专门针对老年人的气囊防摔服装产品[14]，此款产品主要以保护臀部为主，它的两边都设计为类似于马蹄形的水滴形状。该产品的运算系统使用不同类型的传感器，如陀螺仪和加速计来计算各种环境中的运动，当跌倒发生时臀部的安全气囊能在短时间内检测到下降，并完成自动充气膨胀，起到保护作用。有学者曾设计了一款可穿戴式安全气囊并做了相关实验，据实验结果显示[15]，比起不穿气囊防护装备，穿上缓冲安
全气囊的防护装备时，髋骨所受到的冲击力减少了70%，峰值压力降低为3.32kN，能量吸收减少了83.8%。髋骨骨折时由于吸收了超过其所能承受的最大范围的能量，而气囊可以吸收一部分作用于髋骨的能量，从而降低损伤，也证明了气囊对于髋骨的防护作用。
2.2胸腰椎防护结构
跌倒时由于重力不稳，人后倾时常常会导致胸腰椎骨折，跌倒是导致胸腰椎骨折的主要因素。胸腰椎骨折好发于T11～L2椎体，骨折类型以爆裂性骨折为主。老年人身体机能衰退，其椎间盘的含水量急剧下降，髓核发生退变，因而负荷缓冲和负荷承载能力降低，椎间盘的退变造成了椎体骨皮质应力载荷增加，这是导致老年人胸腰椎好发骨折的重要原因[16]。脊柱受到压缩力、屈曲力等暴力压迫椎骨，导致骨折。椎骨周围的肌肉软组织有一定缓冲作用，但由于摔倒碰撞时冲击力过大，仅依靠肌肉组织来保护骨骼是不够的[17]。防摔服的背部采用贴合材料设计，增加缓冲面积，可以起到分流冲力、碰撞力的作用。有研究表明[18]，胸部变形量是评判胸部损伤的有效指标。碰撞过程中由于某个部位的急速集中受力导致了损伤的发生，为了减少碰撞的冲击力，需使用气囊等防护材料对骨骼进行防护。意大利Dainese品牌旗下的D-air气囊系统，契合了人体工学设计，发生碰撞时，系统会在极短的时间内在骑手的锁骨、肋骨和躯干周围膨胀，弹出的气囊可以很大程度地增加缓冲面积，以对脊柱、腰椎等部分起到保护作用，减少跌倒受伤风险。
2.3桡骨防护结构
桡骨远端骨折根据不同的受伤机理可以分为Colles骨折、Smith骨折和Barton骨折[19]。Colles骨折是桡骨远端骨折中最常见的，又称为称伸直型桡骨远端骨折。它的受伤发生机制多为平地跌倒，在跌倒时，人的手会不由自主地撑住地面，导致暴力集中于桡骨远端疏松部位，从而发生骨折[20]。老年人多伴有老年性骨质疏松，更易发生桡骨远端骨折。因此，当防摔服气囊弹出时，其外部较硬耐磨材质和内层柔软材质可以形成有效缓冲，使得暴力分流和吸收，减少对于人体的伤害，降低跌倒受伤的风险。
3气囊式防摔倒智能服装的市场应用
3.1国外气囊式防摔倒智能服装产品现状
日本hit-air是研究气囊服装最早的品牌公司，于1995
年开始潜心研发安全气囊马甲，通过不断地研究开发以及测试在1998年正式开发出世界上第一款“可以穿的安全气囊”——hit-air充气式护甲[21]。该品牌服装范围应用很广，最早应用于马术方面，后被各个国家广泛应用，范围也拓展到摩托、消防、救援等。其生产的一款Hit-air Airbag System摩托车骑行用气囊防护服有一根保险销连接器可以拉出并启动夹克的充气控制单元，当充气中心充气膨胀时可以吸收碰撞冲击力，预防或减少外部对身体的伤害，且其中主体“空气垫”还可以保持穿着者的脊柱固定，减少脊柱损伤的风险。国外对这类产品的研究起步较早，技术相对系统成熟，已经有了一定的规
模。他们的产品研究方向主要集中在马术、摩托车等行业，但是近年来也有针对于日常防护服的研究。3.2国内气囊式防摔倒智能服装产品现状
苏州衣带保智能技术有限公司所研发的老人“不怕摔”智能防摔气囊，是一款专门针对老年人所使用的气囊防摔服产品。穿着此款服装时需要扣在腰部位置，在识别到人有摔倒倾向后，腰带内的安全气囊能在0.18s内弹出打开，减少90%以上的落地冲击。该产品还配备监护APP功能，在APP 上可以随时远程查看老人的健康状态和身体数据。当老人发生跌倒状况时，APP会立即远程自动报警且会及时将老人所在位置通过后台通知子女。总的来说，这款防摔服功能比较完善，可大大降低老年人跌倒受伤的风险。
3.3前景展望
该类产品在中国的普及程度依然比较低。实用性方面，许多气囊式防摔服都是一次性产品，有些可以重复使用，但是很难不造成磨损，因此需要不断提升材质的性能，增加耐磨程度，提高其实用性。价格方面，由于这类防摔服装产品的成本比较高，造价比较昂贵，许多人不愿意去主动购买。安全性方面，虽然人们现在普遍比较注重健康安全问题，但是中国气囊防摔服的市场还不够成熟，这种需要带有可穿戴电子设备的气囊防摔服，人们普遍会担心其是否存在辐射或者漏电等安全隐患问题[22]。今后在产品研发时，应在不断研究提高产品性能，提高灵敏性和准确度，保证功能前提下控制成本造价，提高安全性，有助于市场进一步发展扩大。
4小结
在当今老龄化背景下，老年人口数量不断增加，老年人跌倒发生率不断增加。老年人跌倒后骨折面临着更大的健康风险，跌倒后的后遗症、瘫痪等很大程度影响到了其日常生活，因此，预防显得格外重要。气囊式防摔智能服装作为一款预防老年人跌倒、减少其受伤风险的功能性服装，因其具有跌倒感知预测系统、气囊保护系统和特有的材质面料设计，并能实时发送危险预警，可以有效降低老年人意外受伤的风险。
参考文献：压铸机料筒的设计
［1］杨菊华，王苏苏，刘轶锋.新中国70年：人口老龄化发
展趋势分析［J］.中国人口科学，2019（4）：30-42，126.［2］袁皓瑜，庞力娟，危胜平，等.2006—2009年株洲市60岁及以上老年人跌倒/坠落伤害流行病学特征分析［J］.
中华疾病控制杂志，2010，14（10）：942-944.
［3］翟景花，郭立燕，宋爱芹，等.2017年济宁地区老年人意外伤害现况调查［J］.预防医学论坛，2018，24（3）：167-170.
［4］蔡伦，林岑，周鼒，等.老年人跌倒的公共卫生研究进展［J］.中国老年学杂志，2018，38（9）：2265-2268.［5］徐红梅，田会旗，戴克芹.老年人跌倒危险因素、并发症及预防措施［J］.中国保健营养旬刊，2014，24（5）：2845-2846.
［6］杨俊飞，朱兴元，赵国如.穿戴式跌倒护髋安全气囊系统自动充气机构的设计与实现［J］.现代机械，2016（4）：5-9.
［7］朱达辉，宋婧，宇锋.老年防摔功能服装设计［J］.毛纺科技，2018，46（11）：63-68.
［8］陈炜，佟丽娜，宋全军，等.基于惯性传感器件的跌倒检测系统设计［J］.上海纺织科技，2010，29（8）：117-119．［9］王维念，胡兆燕，陈正龙，等.可穿戴式跌倒检测及防护装置的研究现状［J］.北京生物医学工程，2017，36
（3）：323-329.
［10］郑娱，鲍楠，徐礼胜，等.跌倒检测系统的研究进展［J］.
中国医学物理学杂志，2014，31（4）：5071-5076.［11］TOSHIYO T，TAKUMI Y，MASAKI S.A preliminary study to demonstrate the use of an air bag device to
prevent fall-related injuries［C］//200729th annual
international conference of the IEEE engineering in
medicine and biology society，2007.
［12］王雅娴，李艳梅.吸能缓冲防护服装的研究进展［J］.
纺织学报，2020，41（5）：184-190.
［13］NABHANI F，BAMFOＲD J.Mechanical testing of hipprotectors［J］.Journal of materials processing
jvktwrnatechnology，2002，124（3）：311-318．
［14］老年人救星：带有安全气囊的腰带［J］.大数据时代，2018（2）：74.
［15］李慧奇，宁运琨，杨俊飞，等.穿戴式跌倒防护安全气囊研究［J］.集成技术，2018，7（2）：69-77.
［16］唐一龙.1436例胸腰椎骨折的临床特点分析［D］.大连：大连医科大学，2014.
［17］阮兰.运动防护服装复合材料的碰撞防护性能研究［D］.
上海：上海工程技术大学，2016.
［18］颜智，于亮.女子橄榄球运动员损伤情况调查［J］.中国组织工程研究与临床康复，2007（39）：7914-7916.
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本身价格的20%。使用干燥空气可以彻底消除使用SF6气体的需求，大幅降低开关柜对环境的影响，并且无需经过报废回收处理，从而节省了相关成本。
2.3使用干燥空气为运营商带来更多优势
使用干燥空气的全新无SF6气体开关柜能够为运营商带来众多优势：①不仅保留了传统SF6气体设备备受看重的体积小巧的特点，而且操作方式也保持不变，因此技术人员无需接受任何培训；②环保气体负荷开关柜的三工位负荷开关采用并联真空开断技术，保留原有三工位操作习惯的同时，也能实现组合电器方案，为客户提供经济可靠的变压器保护方案。
2.4干燥空气守护人员健康与安全
中压开关柜要在公共场所使用，因此，在选择SF6气体替代气体时，健康和安全成为首先要考虑的问题。干燥空气作为一种安全替代气体，可保护公众免于遭受潜在的健康和安全风险。它完全无毒，因此即使发生泄漏，对人和环境也安全无害。它不会给负责安装和报废回收的工作人员带来健康风险，也无需制订严格的设备处理条例来保护人员安全。与此相反，未经充分验证的专利气体则可能存在健康和安全风险。
2.5干燥空气打消监管顾虑
许多公司正在采取重大措施，大幅减少温室气体排放。这些战略性努力不仅是出于提高可持续发展能力的愿望，也是因为受到了强大的监管压力。在欧洲，SF6气体的使用、处理、退役、监控和库存记录维护均受到监管程序的严格约束，而中国自2012年起就陆续出台了相关政策措施，对SF6气体的使用和回收进行管制。根据中国国家标准化管理委员会发布的标准，SF6气体设备的检修与退役过程产生的SF6气体排放已被纳入中国电网企业的温室气体核算和报告范围。
考虑到未来愈发严格的监管政策，采用不受未来新规约束的环保型替代产品以保障运营连续性是明智之举。干燥空气中压开关柜既可以提供可靠的绝缘开断性能，也不受环境法规或碳税影响。作为全球第二大经济体和最大能源消费
国，中国在全球能源转型进程中处于举足轻重的位置。不久前，十九届五中全会提出了中国“十四五”
时期经济社会发展主要目标，其中明确指出要使“能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放总量持续减少”。
综上所述，干燥空气作为绝缘介质，具有以下优点：①绿环保；②导热性好；③设备生产及维护过程中可以不使用通风及防护设备；④在生产过程或使用过程中，产生的金属微粒对于干燥空气绝缘的开关设备危害较小。
3结束语
新型环网柜采用充干燥空气作为绝缘介质代替对环境造成污染的SF6气体，减少了温室效应气体排放，产品生命周期结束后，材料可回收率达90%以上。采用微正压力气体绝缘方式，降低了气体泄漏可能，使其安全可靠。高压电器元件全部密封于金属壳体内，在高海拔、严寒、潮湿、污秽等恶劣环境中安全使用。真空开关和三工位隔离/接地开关可同时具备手动和电动操作功能，开关设备具备智能化功能。
虽然环保型环网柜在环网柜朝着智能、绿、环保方面取得了一定进步，但相比SF6其优异的绝缘性能和灭弧性能，充N2和干燥空气绝缘性能在同等压力下仅为SF6的1/3，特别是针对高压GIS产品，还没到取代SF6气体的办法，因此在研制环保气体这一方面，还需进一步努力。
参考文献：
［1］邓虎.12kV环保型环网柜与中置柜关键部件绝缘特性的研究［D］.厦门：厦门理工学院，2016.
［2］陈晶华.中压环保型气体绝缘开关设备的设计［J］.电气技术，2019（1）：106-108.
［3］兰剑，冯英，李向阳，等.干燥空气、N2和SF63种气体绝缘环网柜温升性能的试验对比研究［J］.高压电器，
2019，55（1）：64-71.
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作者简介：宋光华（1984—），男，广东深圳人，本科，高级工程师，研究方向为智能配电网。
〔编辑：丁琳〕
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［19］王纪亮，许建中.桡骨远端骨折的分类［J］.重庆医学，2005，34（7）：1010-1011.
［20］解正康.桡骨远端骨折复位测力装置及智能固定护具的研制［D］.南京：东南大学，2017.
［21］李琴.气囊式防摔功能设计研究［D］.重庆：西南大学，2018.
［22］沈雷，桑盼盼.不同领域技术下智能服装的发展现状及趋势［J］.丝绸，2019，56（3）：45-53.————————
作者简介：邬佳妮（2000—），女，上海健康医学院本科在读。胡钜涛（2002—），女，上海健康医学院本科在读。陈红霞（2000—），女，上海健康医学院本科在读。施宇（2000—），男，上海健康医学院本科在读。
汽水热交换器通讯作者：周冬梅（1977—），女，硕士，上海健康医学院讲师，研究方向为临床护理、护理教育。
〔编辑：丁琳〕
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