MEMS麥克風和壓電條拾取彎曲和延伸膝蓋的聲音。 （信用：佐治亞理工學院）

“這有點像某種萬聖節的事情發生，”歐麥爾伊南說。 “你正在聽你的骨頭互相摩擦，或者軟骨。”

工程師正在開發一種聲學膝蓋帶，配有麥克風和振動傳感器，可以收聽和測量關節內的聲音，並可以幫助骨科專家評估受傷後的損傷並跟踪恢復進度。

佐治亞理工學院電氣和計算機工程助理教授Omer Inan一直在考慮開發這種設備。 他曾是斯坦福大學的鐵餅運動員，並花了很多年像龍捲風一樣旋轉著，而龍捲風並不是為膝蓋而建的，所以他自己遭受了相當多的膝蓋疼痛。

“如果我對它施加更多的壓力，我會覺得我的膝蓋吱吱作響或蹦得更厲害，”他說。

當他在早期的實驗中聽到第一次破碎研磨的記錄時，Inan很高興。 “這比預期的要響得多，而且更加清晰，”這意味著即時進步。 “這有點像某種萬聖節的事情發生了。 你正在聽你的骨頭互相摩擦，或者軟骨。“醫生稱聯合開裂”crepitus。“

一些100多年前，醫生認為球拍可能包含一條消息，並用聽診器聽取。 Inan希望在未來，醫學研究將建立在他的小組正在設計的聲學傳感技術的基礎上，並最終將聲音解碼為有用的模式。

目前，研究人員正在繪製錄製的音頻並將其與關節的運動範圍相匹配，以確定腿部伸展和彎曲的確切位置會產生吱吱聲和砰砰聲。 結果具有類似於心電圖或其他生理信號的峰值和波形。

受傷膝蓋產生的聲學模式與完整膝蓋的聲學模式明顯不同。 “這更不穩定，”伊南說。 “健康的膝蓋會產生更一致的噪音。”

士兵和重複受傷

如果將其與醫學研究相結合，則該聲學設備可能會帶來價格低廉，可穿戴的監護儀，從而使膝蓋負擔過重的運動員以及滑倒和跌倒的老年患者受益。 為這項工作提供資金的美國國防部高級研究計劃局（DARPA）希望減少戰場上重複出現的膝蓋受傷，並幫助士兵安全地重新執勤。

“大多數人不知道的是，膝蓋和腳踝的肌肉骨骼損傷是現役軍人出院的主要原因之一，”Inan說。 體重高達100磅的背包向士兵施壓，因為他們在棘手的地形上行進數十英里，爬過戰場上的障礙物，並在狹窄的地方蹲伏數小時。

即使沒有跌倒或扭曲，士兵也可以在康復中進行手術。 這個問題可能在幾個月後似乎已經解決，但往往不是這樣，而且往往是因為重傷。

在手術和治療之後，膝蓋可能會感覺像新的一樣，但是當一個過度訓練的士兵跳回到它上面時，傷害的弱點就會發生。因此，再次受傷的次數比初次受傷的次數高出10倍。

廉價的可穿戴設備可以為將來的士兵和臨床醫生提供有關康復膝蓋的反饋，以幫助他們在需要時避免重型工作負荷，從而避免重大傷害。

從長遠來看，這對服務成員也有好處。 隨著時間的推移，關節損傷複雜化，使退休的服務人員長期陷入平民生活的痛苦和喪失行動能力。 “你可能患有早期骨關節炎，”Inan說。

外來的噪音

但在這一點上，Inan的使命是將聲音記錄在可能有用的質量中，這已經帶來了一些挑戰。 膝關節被液體包圍，使得從皮膚關節離開的聲波變鈍。 此外，當患者四處移動時，會產生外來噪音，淹沒有用的聲音。

“在運動過程中必須按照定義進行測量這一事實是一個挑戰，因為你不能只是告訴人靜止並避免運動偽影，”他說。

為了開發聲學設備，研究人員將麥克風與壓電薄膜結合起來，壓電薄膜是一種收集最佳聲音的超敏感振動傳感器，但對乾擾非常敏感。 放置在皮膚上的麥克風可以提供充足的備份和更實用的設備。

膝蓋監視器還利用了智能手機中常見的技術進步。 與基於先前技術的麥克風相比，微機電系統麥克風或MEMS與現有技術更好地集成。 這也使麥克風徹底廉價 - 只有50美分到1美元。

DARPA生物技術辦公室支持這項工作。 該論文在線發表在期刊上 IEEE生物醫學工程學報.

資源： 佐治亞理工學院

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