重塑关节置换术后结局：远程监测技术的创新进展与临床转化视角

本综述系统阐述了远程监测技术在关节置换术（Arthroplasty）后患者管理中的最新进展，涵盖移动健康（mHealth）平台、可穿戴传感器、智能植入物、智能纺织品及智能家居系统五大领域。文章重点探讨了这些技术在功能恢复客观评估、并发症早期预警（如假体周围感染PJI）和康复依从性提升方面的价值，同时分析了临床转化面临的标准化、验证及合规性挑战，为推进个性化术后护理提供重要见解。

　　

2 Remote Arthroplasty Monitoring Technologies

2.1 E-Health and Mobile Platforms

骨科领域在采用电子健康（e-health）技术进行远程患者监测方面相对滞后，但全球关节置换需求的增长持续推动着相关创新。移动健康应用程序（图2）日益成为数据整合与患者参与的核心枢纽，其功能包括：呈现症状和康复依从性的“康复仪表盘”、提供交互式物理治疗指导的互动模块、以及通过视频或异步消息实现远程会诊的 telehealth 功能。人工智能（AI）的进步显著增强了这些平台的能力，例如Ramkumar等人将可穿戴设备监测的 opioid 消耗量、关节活动度（ROM）和运动依从性数据与机器学习（ML）移动平台结合，证实了术后3个月监测的高可行性和患者接受度。

这类数字技术不仅能作为高危患者的早期预警系统，还能在不影响结局的前提下减轻临床随访负担。例如PainCoach应用程序被证明可降低关节置换患者的 opioid 使用量并改善疼痛控制。结合可穿戴设备的混合康复系统显示出更好的依从性、更早的活动能力恢复以及更低的再入院率。系统综述表明大多数应用程序干预（从运动指导到疼痛管理）可改善功能结局、提高患者满意度并减少镇痛药物使用。部分应用甚至显示出与传统方法等效的效果，这为成本效益优化的监测方案提供了支持。

然而临床效用验证仍是推广的关键瓶颈，目前缺乏超过6个月结局的临床研究。需要进一步验证如何利用平台数据指导临床护理调整（如根据疼痛评分和关节ROM恶化调整药物或康复方案），同时需持续关注隐私安全问题并深入分析经济影响。

2.2 Wearable Sensors

2.2.1 Mobility Sensing

关节生物力学与关节退变进展密切相关，是关节置换的重要功能结局指标。尽管技术不断发展，临床功能评估仍主要依赖患者报告问卷或访谈。随着计算机视觉算法和可穿戴传感器的普及，门诊和远程客观功能评估正在兴起。

可穿戴传感器通过监测自由生活环境中的患者行为，捕捉真实世界活动水平、移动模式和步态 kinematics 特征。连续生态数据可识别恢复期异常或发现临床访视中易被掩盖的功能限制。惯性测量单元（IMUs；图3A）是最常用系统，通过加速度计、陀螺仪和磁力计信号组合提供步行中的动态关节角度、步态 stride 特征（如步幅时长）以及全局活动指标（步数、活动强度）。IMUs的普及性得益于其在智能手机、平板和智能手表中的广泛应用。

为提高关节特异性监测精度，研究探索了多种传感器佩戴位置：鞋内、关节两侧或下肢粘贴式传感器，但腕戴式传感器的依从性最高。系统综述强调了IMUs在评估术后功能恢复中的效用，其数据可处理为现实环境中的步态参数（步长、步频、步行速度）和性能测试结果（计时起立行走、6分钟步行测试）。这些客观数据揭示了患者报告结局指标（PROMs）未能检测的步态恢复差异——PROMs通常在术后早期改善，而步态参数恢复则更缓慢且多变。

更先进的处理技术可提供关节特异性生物力学数据，但面临多重挑战：传感器-肢体标定需求、长时间监测中的信号漂移校正、以及需在肢体段放置多个传感器。由于膝关节置换年手术量大，相关临床验证多集中于此领域，推动商业级可穿戴IMUs的快速发展。当前持续努力包括验证商业级传感器的精度和开展长期临床试验。

除IMUs外，其他传感系统正被整合进衣物或支具中。力敏电阻（FSRs；图3B）被嵌入鞋垫和承重关节内监测重量分布、负荷模式及步态对称性等 high-fidelity 信息。随着功能恢复成为个性化手术（如手术机器人）的核心目标，行业焦点正从“是否监测”转向“如何监测”功能恢复。

2.2.2 Temperature Sensing

假体周围感染（PJI）是最严重的术后并发症之一，虽发生率较低（约1%–3%），但占所有翻修手术的15%–35%，导致显著发病率和经济负担（预计美国2060年膝/髋翻修费用超130亿美元）。

当前PJI诊断金标准包括临床评估、血液检查、影像学和关节穿刺，虽有效但具侵入性且常在出现明显症状后才能识别。非侵入性远程监测策略因此受到关注。温度传感长期被视为感染检测的有效手段，Romanò等人评估数字遥测热成像法在膝关节置换患者中的应用，显示通过非接触方式检测假体周围局部温度变化具有强大诊断效用（敏感度/特异度>89%）。近期创新包括开发用于感染检测的可穿戴温度传感设备（如Viture?系统和腕戴式皮肤温度检测装置），这些技术在发热早期检测的成功为关节置换应用提供了有力依据。

2.2.3 Smart Clothing/Textiles

传统可穿戴监测设备存在舒适度低、易察觉和依从性要求高等问题。智能纺织品系统则提供更优舒适性和隐蔽性，同时具备实时反馈潜力。早期研究已展示包含可穿戴传感器、医院服务器和临床医生应用的远程屈曲监测系统，可记录传输运动中的膝关节屈曲数据，无需智能手机或网络支持。这种低技术门槛解决方案对技术素养有限的老年患者和资源有限环境尤为重要。

进一步发展支持将智能纺织品整合进常规患者管理。例如混合碳纳米管-氨纶（CNT-spandex）纱线的膝关节支具可高精度监测膝关节屈曲，与运动捕捉系统强相关且不牺牲灵活性。双功能智能纺织品更将运动监测与热疗结合，通过碳黑和镀银尼龙芯鞘纱线同时满足诊断和治疗需求（患者使用30分钟后显示活动度和肌肉活动改善）。但该领域仍面临耐用性、可洗涤性和传感器精度变异等挑战，需在多样人群中进行临床验证并建立清晰监管路径。

3 Smart Implants

传感器嵌入式关节置换假体（“智能植入物”；图4）正发展成为骨科创新的前沿领域。应用范围涵盖步态/负荷传感、活动监测、植入物微动检测和温度传感。植入物可嵌入加速度计、应变计或压电传感器来测量日常活动中的假体受力或加速度，经处理形成功能恢复的全局指标。

某些传感器能检测骨骼与植入物间的细微运动和脱粘合，为早期识别假体松动提供可能（与早期失败和翻修需求相关）。这类智能植入物可为临床决策提供支持（如未达到康复目标）或在翻修前早期干预。

智能植入物也被开发用于PJI的检测和干预。主要生物标志物包括pH值、温度和感染原直接测量。多数感染原通过乳酸产生或中性粒细胞呼吸爆发产生酸性环境（pH下降），多个团队成功开发可检测此变化的智能植入物。但并非所有细菌（如铜绿假单胞菌）都诱发pH变化，因此需其他检测方法。与可穿戴表面温度传感类似，植入物界面温度在PJI期间发生变化，既有“螺栓固定式”温度传感器监测假体表面附近温度，也有嵌入假体内部的温度传感系统。最新趋势转向感染原直接测量，未来研究应探索针对常见病原体的抗体功能化与临床验证测试。

历史采纳障碍包括：持续电力供应需求、电子生物相容性、长期传感器信号漂移与校准、体组织数据传输挑战，以及不影响假体结构完整性或界面整合的设计要求。感应充电、能量收集和超低功耗系统的发展现已支持嵌入式设备的无线充电；密封传感器包在生理环境中保持稳定性，改善了电子植入系统的生物相容性。

该领域文献反映了从实验台到临床的挑战：首批传感器嵌入式植入物的人体试验已见报道，智能植入物的监管路径正在建立，传统与传感器嵌入式植入物的成本效益分析逐步出现。虽仍属远程监测中的小众领域，但代表关节置换研究的重要前沿，有望根本性改变假体与患者的监测方式。

4 “Smart Homes” and Other Emerging Remote Sensing Systems

4.1 Cameras and Motion Sensors

为降低患者依从性需求，“智能家居”利用固定安装的家用摄像头实现简易部署与评估。这些系统主要用于跌倒检测（对老年人群意义重大），也被用于膝/髋关节置换术后的远程康复监测。计算机视觉和姿态估计算法的进步现已支持远程运动捕捉，获取关节置换相关结局：步态参数、详细 kinematics 特征，以及生物力学与PROMs的关联分析。与可穿戴运动传感器类似，家用摄像头系统可为临床医生提供客观的移动能力恢复数据（如低步行速度、有限ROM），以便在需要更重大临床干预（如翻修手术）前早期处理恢复退化。

虽然摄像头系统易于部署且经适当处理可提供临床相关数据，但存在隐私担忧。为降低数据捕获侵入性，被动红外（PIR）运动传感器通过检测红外辐射变化来量化运动指标，例如持续追踪房间使用情况、活动类型识别和“异常行为日”发现。PIR传感器也与ML算法结合实现自动跌倒检测和精细移动能力测量（如步速）。尽管这些研究未特定针对关节置换患者，但展示了家用运动传感器监测术后恢复的潜在可行性。

4.2 In-Floor Sensing

为进一步降低家用摄像头系统的侵入性，嵌入地板或地板结构的传感设备也被探索用于远程监测。地板传感主要基于加速度计的振动测量，通过识别环境中行走产生的振动进行定位和量化，高性能计算与AI进步使得利用地板振动结合ML量化步态指标（如步时）达到94%精度。虽处于发展初期，地板振动显示未来应用于关节置换的潜力，可对照已知恢复标准指导临床护理。

4.3 Radar

雷达利用发射器发出的无线电波经室内物体（包括居住者）反射后，通过多普勒位移检测运动、通过飞行时间量化位置、并通过相位位移评估微动（如呼吸）。最广泛应用是室内跌倒检测，但也用于量化移动能力指标并通过ML算法分类不同家居活动。先进应用更通过雷达技术量化特定步态参数，突显其在远程关节置换管理中的潜力。

4.4 Bioelectrical Impedance Analysis (BIA)

生物电阻抗分析（BIA）利用微弱电流通过评估电阻和电抗变化来评估组织特性差异。该技术既用于远程评估一般关节健康，也用于术前区分健康与关节炎关节。虽未在骨科人群中进行，但BIA已被证明可有效区分术后感染，因此代表通过成本效益技术远程检测PJI的新途径。

4.5 Image Processing

随着现代图像处理传感器技术进步、智能手机图像捕获功能微型化以及先进计算技术发展，捕获术后手术部位图像有助于家庭可视化潜在PJI特征（伤口引流、红斑、肿胀和窦道形成）。例如Deepwound工具通过ML模型对1300余张图像训练，能识别六种伤口状态和三种伤口闭合机制。通过增加样本量和改进成像源增强ML模型，将持续推动该技术在关节置换中的应用。

4.6 Vital Sign Monitoring

关节置换患者群体呈现年轻化（40-50年代患者增加）和合并症复杂性上升趋势，使得生命体征监测对优化结局日益重要。家庭血压和心率监测在日间手术患者中已证明可行性，并能显著降低医院再入院率。虽尚未普及，但远程生命体征监测是管理高风险关节置换患者的实用有效方法，随着年轻且医疗更复杂的患者接受关节置换，此方法可能愈发普遍。

5 Barriers and Opportunities for Remote Arthroplasty Patient Monitoring

5.1 Barriers for Remote Arthroplasty Monitoring

尽管潜力巨大，远程监测技术在关节置换患者中的广泛应用仍面临多重挑战：许多研究报道设备准确性存在变异、缺乏标准化结局指标和临床证据验证、以及因小样本或异质传感器平台导致的有限普适性。此外多数传感系统要求高患者依从性，且存在人群差异（如女性患者更可能佩戴设备）。技术部署虽可连续长期进行，但若患者依从性低则削弱临床效用。老年患者因技术素养限制或隐私担忧可能降低依从性，农村地区患者因数据传输技术限制面临类似挑战。

远程监测技术带来新数据流也引发如何整合多模态数据进入临床护理和解读的难题。已知PROMs与传感器导出指标存在不一致，个案解读可能使临床决策复杂化。数据激增可能增加临床工作量和责任风险，需精心设计工作流程和警报阈值。每个远程监测技术都需要谨慎的数据管理策略（存储、监控和传播），若不能无缝整合进电子健康记录并考虑可用性，采纳度将保持低位。因此通过迭代用户界面设计进行利益相关者参与至关重要。不同地区和司法管辖区的监管与保险考量可能延迟或复杂化采纳过程。关于成本效益和功能增益可持续性的长期数据匮乏，需进一步研究评估这些技术如何影响临床决策（尤其在多样或高风险人群中）。缺乏这些关键设计步骤可能导致技术可及性降低而非提升。

需承认成本/效益权衡以及整合进报销策略的挑战。根据技术选择，成本可从数百美元（一次性可穿戴传感器）到数万美元（家庭集成传感系统）不等，缺乏保险或报销策略时可能成本过高。但尽管存在成本，经临床验证后持续客观监测术后结局的附加价值可能超越成本。完整系统特异性成本效益分析应包含所有直接/间接成本及对更广泛系统的成本节约。

5.2 Opportunities for Remote Arthroplasty Monitoring

远程监测系统整合带来关节置换护理的变革性获益潜力：这些技术能赋能患者积极参与康复，提升自主性、动机和依从性；通过追踪步态结局或PJI等趋势，可早期识别并发症并实现及时临床干预；临床医生获得实时或近实时数据，实现更个性化和响应性护理，同时可能降低成本和医疗系统负担；数字工具的可扩展性减少对线下访视的依赖，帮助缓解成本、不公平性和医疗系统压力。

展望未来，远程传感和移动应用有望成为术后护理核心，未来创新将强调AI驱动预测分析和个性化康复路径。能够基于实时数据触发干预的闭环系统开发，将进一步推动康复从临床环境转向家庭。随着生态系统演进，将支持更适应性和成本效益优化的骨科康复与整体护理。为实现广泛实施，持续研究应聚焦于长期随访的临床验证试验、可用性以及考虑关节置换护理复杂利益相关者网络的用户界面设计。

6 Conclusions

远程监测技术代表关节置换护理的重大转变，具备改善结局、减轻医疗负担和支持日间手术趋势的潜力。可穿戴传感器、移动应用、智能植入物、纺织品和家庭集成系统的创新，为追踪移动能力、预测并发症和增强患者参与开辟了新途径。但实际应用仍面临显著障碍：患者依从性、数据保真度、成本与报销策略等。未来开发应优先考虑公平设计、与临床工作流程无缝整合、临床验证和跨多样人群的稳健可用性测试。 engagement 所有利益相关者将是开发以用户为中心解决方案的关键。展望未来，由AI驱动分析和闭环反馈支持的远程监测系统，有望成为关节置换护理新标准，在保持质量安全的前提下将康复过程转移至家庭环境。