新技术在康复工程中的应用和展望

中国康复医学杂志!!""# 年!第 $% 卷!第 & 期 !"#$%&% ’()*$+, (- .%"+/#,#0+0#($ 1%2#3#$%! ’()* !+"#, -./0 $%, 1.2& !康复工程! 新技术在康复工程中的应用和展望 张济川 " 金德闻 " 康复工程是工程技术与现代康复医学相结合的新兴交 叉学科!其任务是!研究人体功能康复的工程原理与方法!包 括功能代偿"康复评定"康复治疗和康复训练所需设备和装 置的功能原理和性能设计理论与方法及其临床应用# 从狭义 上讲!康复工程又是一种有别于纯医学的康复治疗方法$ 康 复工程的服务对象是%功能障碍者&各种疾病的康复对象&需 要扶助的老年群体和社区康复的需要$ 康复工程的研究领域 十分广泛$ 根据卫生部医政司主编的’中国康复医学诊疗规 范(!共有 $3 项康复评定项目和 4 种康复治疗方法!即肌力 评定&关节活动度评定&上肢功能评定&下肢功能评定&痉挛 评定&平衡功能评定&日常生活活动能力评定&电生理评定& 心脏功能评定&呼吸功能评定&语言功能评定&心里功能评 定&生活质量评定和就业能力评定等# 4 种康复疗法是%物理 疗法&作业疗法&语言疗法&心理疗法&中医疗法&康复护理和 康复工程# 在康复评定和康复治疗过程中!需要应用各种工 程设备&装置&器械和仪器# 为改善老年人生活的自主性和安 全性!实现世界卫生组织提出的)健康老年!活跃老年)的目 标!需要设计开发各种支持性和辅助性设备与技术以及社区 康复所需的各种康复训练设备等# 这些均为康复工程的研究 领域# 康复工程所涉及的专业领域十分广泛!除工程学科本身 的传统专业领域!如机械&电子&计算机&声光技术和材料学 等!还涉及康复医学&生物力学和生物控制论等生物医学类 专门学科#!+ 世纪后半叶以来!在微电子技术&信息技术的带 动下和生命科学的兴起! 推动了上述各相关学科的发展!使 其取得了长足的进步!从而为现代康复工程的发展提供了有 力的技术支持# 一种利用现代工程技术的新成果来武装康复 工程技术!改造传统的康复工程产品!以满足人们提高生活 质量的要求!正在世界范围内兴起# 下面仅从康复工程中有 代表性的几个领域!分析现代科学技术在康复工程中的应用 及其对提高康复工程产品性能和质量的作用# ! 机器人及其控制技术在康复训练中的应用 近十年来!由于脑血管意外造成肢体运动功能障碍者逐 年增多!这类患者进行康复训练的要求越来越迫切# 脑血管 意外造成的偏瘫原因是中枢神经损伤!其康复机理是基于中 枢神经的可塑性! 通过训练促进中枢神经的重组和代偿!恢 复患者失去的肢体运动功能# 肢体运动功能的康复训练!是 运动疗法中的一种基本方法!分被动运动训练&主动运动训 练&主动助力运动训练和牵张训练# 传统的训练方法是由治 疗师利用手法或简单的器械对患者进行训练!整个训练过程 建立在定性观察的基础上!由于缺乏准确性&可控性和相关 物理量的定量数据!无法对训练进行优化和对训练效果 进行科学的评估# 随着机器人技术的发展!医用机器人已在脑外科手术和 神经康复治疗中得到了有效的应用!可以取代由康复护理人 员手动操作和简单的训练器械!对患者进行被动训练&主动 训练和主动助力训练# $556 年!美国的 7.8*) 和 9:*;<=$*!> 等研制出一种称为 ?@AB?C1DE 的脑神经康复机器人! 该机器人有平面运动和 三维空间运动两种训练模式$ 用于被动训练时!受试者的患 肢在机械臂的驱动下!按康复医师规定的训练处方+运动规 律,运动!运动规律显示在电脑屏幕上!为患者提供视觉生物 反馈$机械臂带有过载保护装置!确保训练安全$机器人有反 向驱动功能!用于主动训练时!患肢推动机械臂按规定训练 模式运动!机器人提供阻抗控制和助力功能!以适应不同训 练阶段的需要$ 以英国 F*GHI)8 大学为首的欧洲跨国研究小组!于 !++! 年研制出一种叫做 JK1ALKME 的上肢康复训练机器人!其基 本功能与 ?@AB?C1DE 相似!其机械臂的结构更简单"紧凑! 机械臂为三自由度的升降式摇臂结构!机械臂的腕部带有三 个被动自由度!可实现手臂的三维运动!利用虚拟现实技术! 通过电脑屏幕对患者实施生物反馈$ 这些康复训练机器人均 已用于临床!取得了明显效果$ 矫形器是用于人体四肢和躯干等部位!通过静力或动力 的作用来预防和矫正畸形! 治疗骨关节和神经肌肉疾患!或 补偿其活动功能的康复器械$ 目前!一般的静力矫形器和辅 助身体局部功能的活动矫形器!在许多国家已经发展得十分 完善$ 但在我国!由于矫形器的个体适配性强!不容易实现标 准化和系列化!而且利润低!因此发展较慢$ 在国内!很少有 关于辅助和代偿肢体运动功能的活动矫形器!特别是适用于 截瘫患者!辅助其步行的下肢活动矫形器!或称交替步态矫 形器研究和开发的报导$ 英国 EN**O*: 公司和德国 PNN. Q.RS 公司已先后开发出无动力的截瘫步行器 GHTG)R*H :*RIO:.RGN! I)8 8GIN .:NU. 报导了一种与电刺激相结合的半动力式 步行器$ 它们是此类活动矫形器的进一步发展$ 不过由于增 加了电刺激系统及足底压力反馈和膝关节角度测量系统!使 控制系统变得复杂!而且不适用于对电刺激无反应的完全性 截瘫患者$ 为使完全性高位截瘫患者能从轮椅上走起来!实 现自主行走!清华大学从 5+ 年代末开始!在国家自然科学基 金资助下!开展了动力式截瘫步行器!即新型动力式交替步 $ 清华大学康复工程研究中心V $+++%3 作者简介W张济川, 男! 教授!中国康复医学会专家委员会副主任 收稿日期W!++#B+#B+% #$% 中国康复医学杂志!!""# 年!第 $%卷!第 & 期 !"#$%&% ’()*$+, (- .%"+/#,#0+0#($ 1%2#3#$%! ’()* !+"#, -./0 $%, 1.2& 态矫形器3.4*5*6 7687)9*6 5*9:35.97;:)< <7:; .5;=.>:>!?@A! BC的研究" 类似步行机器人的动力式电控截瘫步行器的概念!是前 南斯拉夫学者 -(D.E57;.8:9F&#GH于 $IGJ 提出的!先后开发出几 种试验样机" 但因这些装置均为多自由度系统!结构庞大$笨 重!机械系统和控制系统十分复杂!无法在康复临床上应用" 清华大学研制的步行器为单自由度的多杆机构系统!采用最 优化设计方法实现步态仿真设计! 机械结构和控制系统简 单$紧凑!重量只有 I2&D<%不包括电池&,可以由患者手动改变 三种步行速度’ 由于机构为单自由度系统!因此只用一只安 装在髋部的微型直流电机即可使机构再现预定的步态" 患者 可借助轻便助行架或双拐以交替步伐独立行走" ! 人工智能技术的应用 人工智能技术!在机器人和许多工业领域得到了广泛应 用" 假肢技术是截肢者恢复肢体功能的主要手段" 现代假肢 技术是机器人技术的一个分支和组成部分!但与一般机器人 又有区别" 机器人是完全由计算机控制的!而假肢是由人$计 算机和控制系统组成的人(机一体化系统) 例如肌电假肢! 其动作是由患者大脑的动作意识!通过肌肉电发出信息给控 制系统!实现对假手的控制" 机器人和人工智能技术中的很 多理论$方法和技术!均能在现代假肢技术中得到应用!但智 能假肢的研究确有其独特的内容" 现代假肢技术追求的主要 目标是仿生性$工作稳定性和控制的可靠性" 仿生性!不仅包 括外形和动作的仿生!还包括感觉仿生*稳定性!不仅要求工 作平稳!还要求绝对安全可靠) 在上肢假肢中!除外形和动作仿生外!人工智能技术的 应用主要表现在感觉仿生技术上) 实用肌电假手的感觉仿生 主要是手指的触+滑觉"%+ 年代末!清华大学在已发明的肌电 假手的基础上!利用传感技术开发出了具有握力感觉反馈的 肌电假手 F%H!通过微型刺激器将感觉到的力觉信号反馈给患 者! 其力觉的分辨率为 +2JD<" 与触觉K力觉同样重要的是滑 觉!当假手提起物体时!为防止物体滑落!可以采用滑觉传感 技术!将滑动信息反馈给假手的控制系统!使假手自动增力" 目前!清华大学正在国家高科技发展计划%%&#&的支持下!利 用压电薄膜技术!开发具有触滑觉功能的智能型肌电前臂假 肢" 人工智能在现代下肢假肢中的应用更为显著$ 更为重 要" 对下肢假肢的仿生要求主要是功能仿生和步态仿真" 在 功能仿生方面! 研究人员在传统假肢上已经做了大量工作! 例如!采用多杆机构制作多轴膝关节!以模仿人的膝关节在 行走过程中的相对瞬心轨迹*采用机械摩擦$气压或液压阻 尼来阻碍腿的自由摆动!以改善步态等" 但要求假肢具有对 各种外界条件的自适应性!利用传统技术是无法实现的" 随 着计算机和微电子技术的发展! 利用人工智能技术在 !+ 世 纪末!已先后在日本$英国和德国研制成功有步速跟踪性能 的智能假肢" 它们的工作原理是!在膝关节中装有单片机$角 速度传感器和带微型电机的气缸" 角速度传感器用来测量步 态周期值!通过单片机控制微型电机以调节气缸阻尼针阀的 开度!实现对膝关节力矩的适应性控制" 其控制过程是!患者 先以适合的快$中$慢三种步速行走!角速度传感器同时

记录

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下三种步速下的步态周期值!同时!利用遥控针阀开度设定 器!找到对应三种最佳步态的针阀开度!并自动记录在微处 理器内" 控制模式设定后!患者在行走过程中!控制系统可根 据角速度传感器实时测到的步态周期值!自动调用对应该步 态周期的最佳针阀开度! 实现按最佳步态行走" 日本 17E9. 公司开发了带有四杆机构膝关节的智能下肢假肢!不仅能实 现步态智能化跟踪!由于采用了四杆机构!还能实现膝关节 瞬心轨迹的仿真" 在智能化下肢假肢的研究方面!清华大学在国家自然科 学基金资助下!在具有路况识别功能的假肢方面!开展了多 项研究!并取得了初步成果 FIH" " 新型生物材料的应用 随着生物工程和生物材料技术的发展!一种具有革命意 义的假肢装配新概念! 于 !+ 世纪末开始冲击沿袭半个多世 纪的传统假肢装配技术! 提出甩掉不符合人体生物力学规 律!受力不合理的人机接口(((接收腔!利用生物活性材料! 将假肢与残肢骨直接连接! 实现经皮骨植入式的假肢装配" 根据解剖学! 人体主要通过骨骼和肌肉承受体重和传受外 力!而传统假肢是通过软组织和接收腔传力!不仅受力不合 理!而且给患者带来一系列的不适" 骨植入式假肢!可在截肢 手术的同时!将由生物相容材料制成的中间植入体植入残肢 骨腔内!伸出端采用生物活性材料作经皮密封!愈合后即可 在体外将假肢安装在植入体上" 目前!这种装配技术已在瑞 典和英国进行试装配!已取得初步成果!但还存在一些需要 进一步研究解决的问题" 主要是经皮密封的可靠性和适合植 入式假肢特点的假肢结构设计问题!还存在若干关键技术有 待解决"!++$ 年!在国家高科技发展计划%%&#&重大项目的支 持下!清华大学和四川大学合作!开展了,生物活性经皮骨植 入材料和植入式智能假肢-的研究!在动物试验和假肢的特 殊结构设计和有感技术方面已取得初步进展) # 微型传感技术在功能性电刺激和康复治疗中的应用 功能性电刺激%LMN&和肌电 OMPBQ 假肢技术已发展得 相当成熟并在康复治疗中得到普遍应用) 传感器或电极是这 两项技术中不可缺少的关键装置!是电刺激器或假肢控制器 与肌体之间的连接环节) 电极形式及其位置的选择和定位! 将直接影响康复治疗效果) 在电刺激技术中!可使用的电极 有皮表电极$经皮电极和埋入电极三种形式) 由于皮表电极 使用方便!容易安装和调整位置!目前在电刺激和肌电假肢 中普遍应用! 但要准确确定电极位置却需要较高的临床经 验!而且皮表电极要求输入的电压高!约为埋入电极的 J(G 倍!长时间使用时!电极贴附于皮肤的表面积至少应有 R9S!!以 防止皮肤受损) 对于骨植入式肌电假肢!皮表电极将给安装和 固定带来不便) 微传感器$ 微电极和高密度电路的发展与医学的结合! 将给神经系统的康复带来革命性的变化) 利用这些微系统可 以提供精确的神经接口!接受由周围神经甚至中枢神经传出 的信号) 运用这些信号控制 LMN 系统! 可使神经肌肉系统 "#" 中国康复医学杂志!!""# 年!第 $% 卷!第 & 期 !"#$%&% ’()*$+, (- .%"+/#,#0+0#($ 1%2#3#$%! ’()* !+"#, -./0 $%, 1.2& 功能恢复达到更高的层次" 例如美国 345* 6*57*8) 9*5*8:* 大学已研究出可接受膀胱充满时神经传出信号的微系统!将 它与 ;<= 接通!用于控制膀胱的活动" 此外他们还研究了用 于手运动控制的神经替代物!运用可植入传感器和刺激器使 高位截瘫者腕部动作转换成手部的协调动作!实现手的抓取 和放松!以提高患者的生活质量" 随着微技术和信息处理技术的发展!能方便植入体内的 微型电极及其处理系统!已由美国一家公司开发成功" 电极 为针板式! 其基板由 >2!??!>2!??! 厚 +2!@?? 的薄硅片制 成!板上有按阵列分布的 A&#A++ 根!长 +2!$A2@?? 的硅针 电极!针尖直径 A$#!!镶钛% 这种密集型针板电极!由于触 点多&材料生物相容性好!体积微小易于固定!可用于感觉皮 层和运动皮层!也可用于脊髓和周围神经纤维!提取微弱的 神经信号!甚至还可用于视网膜" 这种电极可望用于骨植入 式肌电假手!作为提取肌电信号的经皮植入电极" 针板式微 电极也可用于电刺激!作为刺激电极" 其最大特点是!可以在 很狭窄的范围内提取相近神经的信息" 例如!用功能电刺激 的方法解决排尿功能障碍时!由于支配膀胱和尿道的盆神经 和骶神经纤维均由骶部脊髓发出!若刺激骶部脊髓就有可能 控制膀胱和尿道!实现排尿" 但因这些神经纤维在脊髓硬脊 膜内排在一起!相邻很近!用传统的电极很难加以区分!如果 在骶部脊髓上用传统电极施加刺激脉冲时!会使膀胱和尿道 同时收缩!使尿道关闭而无法排尿" 微型针板电极!由于针的 排列密度很大!可以区别出不同的神经!分别提取神经信号 或给以刺激!使用电刺激控制排尿成为可能" 以上仅以康复工程中的几个常用技术为例!说明现代科 学技术对康复工程发展的推动作用" 近十年来!我国康复工 程在各个方面取得了很大进展!特别是技术含量不太高的中 档产品’如假肢和康复器械(发展较快!取得了一些可喜成 果!填补了一些空白% 但由于我国康复医学事业起步较晚!需 要用工程的手段进行康复服务的对象庞大!加之经济实力不 足!我国康复工程技术的发展水平与发达国家相比!还存在 很大差距% 差距主要表现在两个方面!"技术含量高的高档 产品与技术!如自动化程度高的康复训练设备&多维的步态 分析系统&基于新技术的功能评定与检测系统以及智能型假 肢等!差距较大% 目前各大医院临床使用的这类高档设备绝 大多数是台湾产产品!企业的经营方式也主要是代理外商产 品%#低成本普及型!实用的产品与需求相比差距很大%其原 因是!这类抵挡产品的利润低!个体适配性强!除

标准

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件外! 不易形成批量生产% 从目前我国的国情和对康复工程的需求来看!有以下特 点)"一部分富裕的患者!对康复工程产品的要求较高 B城市 的大医院对康复设备的功能和性能的要求不断提高!以进一 步提高康复治疗水平% 但台湾产高档设备价格昂贵!中小医 院无力支付!对国内开发中高档产品的呼声很高% 因此!开发 技术含量高&功能完善&性能可靠!能跟踪国际水平的国产中 高档产品!是目前我国康复工程的发展方向之一% $我国有 &+++ 多万各类残疾者!其中 C>D分布在农村!属于低收入的 贫困群体! 他们当中相当多人还得不到必要的康复服务!许 多截肢者未能安装假肢! 功能障碍者得不到必要的康复训 练% 因此!开发面向农村和小城镇贫困患者的低成本&实用可 靠的普及型康复工程产品!是适合国情的当务之急!也是我 国康复工程发展方向之一% 实现上述目标!除需政府的大力支持外!需要康复工程 领域的广大工程技术人员和专家与康复医生密切配合!共同 付出艰苦的努力% 特别重要的是医工结合!任何实用的&有良 好疗效的康复工程产品!都一定是医工良好结合的成果% 实 现医工结合!要求康复工程人员深入康复临床第一线!从选 题立项&方案制定&功能和性能的确定!直到对所开发产品的 验收!都需要和第一线康复医生共同进行% 康复工程人员还 应经常参加康复门诊!跟医生一起查房!共同分析病例和疗 效!了解患者和医生对设备的意见!以便对设备作进一步改 进% 参考文献 E$F G8*H5 IJKI.L4) 1M NO5*) PQM *7 4/29.H.7R4OS*S )*(8.8*T4HO/O" 747O.) E’F2J<<< U8454V7O.)5 .) 9*T4HO/O747O.) <)LO)**8O)LMAWW%M& X$YZ C@R%C0 E!F G8*H5 IJM -./[* \UM NO5*) PQM *7 4/0 J)V8*45O)L [8.S(V7O:O7] 4)S ^(4/O7] ._ V48*Z8.H.7 4OS*S )*(8. 8*T4HO/O747O.)E’F2’.(8)4/ ._ 9*T4HO/O747O.) 9*5*48VT 4)S ‘*:*/.[?*)7,!""",#CX&YZ&#Wa&@!2 E#F ’45[*85 b,-4) b*7*L*? 6, -4) S*8 b*88* c, *7 4/2‘*:*/.[?*)7 ._ 4 /.d aV.57 ;<= aHOV]V/* 5]57*? E3F2b8.V**SO)L5, N))(4/ J)7*8)47O.)4/ 3.)_*8*)V* ._ 7T* J<<< <)LO)**8O)L O) P*SOVO)* 4)S \O./.L],$WW&2 E>F ’45[*85 b,-4) b*7*L*? 6,-4) S*8 b*88* c, *7 4/2 ‘*5OL) ._ 4) 4(7.?47OV 57*[ O)7*)7O.) 5]57*? _.8 4 T]H8OS L4O7 .87T.5O5E’F2b8." V**SO)L5,N))(4/ J)7*8)47O.)4/ 3.)_*8*)V* ._ 7T* J<<< <)LO)**8" O)L O) P*SOVO)* 4)S \O./.L],$WW&2 E@F ’45[*85 b,-4) b*7*L*? 6,-4) S*8 b*88* c, *7 4/2 e[7O?Of47O.) ._ 4 V.?HO)*S N9cea;<= 5]57*?Z NS4[747O.) ._ 7T* g)** ?*VT" 4)O5? 7. 4//.d _/*hO.) ._ 7T* g)** S(8O)L 7T* 5dO)L [T45* E3F2 b8.V**SO)L5M N))(4/ J)7*8)47O.)4/ 3.)_*8*)V* ._ 7T* J<<< <)LO" )**8O)L O) P*SOVO)* 4)S \O./.L]MAWW@2 E&F -(g.H847.:OV P29*5*48VT P.).L84[TMPOT4O/. b([O? J)57O7(7*M\*/" L84S*Mi(L.5/4:O4MAWC@2 ECF -(g.H847.:OV PM;84)g NM’dOVOVS ‘2 J<<< U84)54V7O.) .) \O.?*" VT4)OV4/ <)LO)**8O)LMAWC"MACZA2 E%F \..5_*/S 3IPM jT4)L ’OVT(4)M 3T*) PO)L5T4)M *7 4/2 =*)5.8] ;**SH4Vg ._ 7T* c8O[O)L ;.8V* ._ 4) 2 EA"F b2 I()7*8 b*VgT4?29*57.847O.) ._ _()V7O.)Z 3(88*)7 VT4//*)L* 4)S _(7(8* .[[.87()O7O*5 7T8.(LT */*V78OV4/ 57O?(/47O.)E’F2’.(8)4/ ._ 9*T4HO/O747O.) 9*5*48VT 4)S ‘*:*/.[?*)7M!""AM#%ZAMhOOOah:O2 EAAF 3T48/*5 c2\(8L48Mb*7*8 =2Q(?Mb*LL] 32=T.8 *7 4/2 ‘*:*/.[?*)7 ._ 8.H.7 _.8 8*T4HO/O747O.) 7T*84[]Z7T* b4/. N/7. -Nk=74)_.8S *h[*8O*)V* E’F2’.(8)4/ ._ 9*T4HO/O747O.) 9*5*48VT 4)S ‘*:*/.[?*)7M !"""M#CZ&&#a&C#2 "#$