发达国家康复器械技术的主要进展

2015-11-16 10:16:30 | 原作者: admin

      

一、 康复机器人技术

比尔盖茨曾预测:“机器人即将重复个人电脑崛起的道路,点燃机器人普及的‘导火索’,这场革命必将与个人电脑一样,彻底改变这个时代的生活方式”。实际上,作为服务机器人之一的康复机器人已是21世纪发展最迅速的康复设备之一


康复训练机器人


神经康复机器人的应用旨在利用机器人原理,辅助或替代患者的功能运动,或者进行康复训练,以实现千万次标准化的重复动作,促进神经功能重塑,从而恢复患者的运动及运动控制能力。近年来,发达国家在脑卒中等神经功能障碍康复机器人领域已投入巨资进行基础和产品化研究工作,陆续推出了多款商业化的上肢、下肢神经康复机器人。


其中较有代表性的上肢康复机器人有:瑞士苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院开始联合开发的Armin系列上肢康复机器人、意大利圣安娜高等学校和比萨大学联合研制的上肢康复机器人L-EXOS(见图1)、英国纽卡斯尔大学和敦提大学共同设计的名为MULOS5自由度上肢康复机器人、美国华盛顿大学根据人体上肢7自由度模型研制的名为CADEN-77自由度上肢康复机器人、2009年日本佐贺大学的Kiguchi等人研发的名为SUEFUL-77自由度上肢康复机器人。近年来,瑞典Hocma公司推出了Armeo系列机器人,并于2012年推出Armeo Power动力多自由度上肢康复机器人(见图),这也是世界上第一款带外动力的多自由度商业上肢康复机器人。


目前,国外许多下肢康复机器人也实现了商业化,如瑞士Hocoma AG研发的最早用于临床的悬挂式康复机器人Lokomat(见图3)以及 SWORTEC公司研发的最先进的躺椅式MotionMaker(见图4),德国LokoHelp公司研发的自动机电步态训练机器人等。这些机器人呈现多自由度、智能自适应、多训练模式等特点。


上肢康复机器人L-EXOS

2 Armeo Power上肢康复机器人
悬挂式康复机器人Lokomat


躺椅式MotionMaker


2截瘫辅助行走机器人


康复机器人的另一个重要研究方向是辅助下肢功能障碍者,特别是截瘫患者行走的穿戴式外骨骼机器人。由于其潜在的市场与军事价值,近年来几乎所有发达国家在这一方向展开了科技竞争。美国Argo Medical公司  2012年推出的新一代下肢辅助行走机器人ReWalk具备了重心控制系统,它是由电动腿部支架、身体平衡感应器和一个背包组成,背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。它可以模仿自然行走的步态,并能根据实际情况控制步行速度。此外,美国还在2011年研发了下肢外骨骼机器人E-Legs(见图5)。



下肢外骨骼机器人 E-Legs

日本多个机构也开展了这一领域的研究,其中筑波大学研制成功世界著名的RobotSuit HAL外骨骼穿戴式机械服,其高160厘米,重23公斤,利用充电电池(交流电100V)驱动,工作时间可达到近2小时40分钟。HAL可以帮助佩戴者完成站立、步行、攀爬、抓握、举重物等动作,日常生活中的一切活动几乎都可以借助HAL-5完成,其中下肢机械服已经在多家医院进行截瘫患者的临床试验。此外,以色列、德国、英国等国家也研发了下肢外骨骼辅助行走机器人。


3家庭护理机器人


国外护理机器人研究起步较早,日本、德国、美国、法国等国家在康复护理机器人技术领域起着主导作用。


在日本,科学家已经成功将机器人应用到医疗护理及福利领域。如日本的物理与化学研究所(RIKEN)实验室研制的机器人护士 Ri-Man”可以和人一样托起患者并保持身体平衡,完成看护患者的任务(图6)。日本最大的安全服务公司塞科姆开发的饮食辅助机器人“我的勺子“在年初曾经获得经产省颁布的“2006年度机器人大奖“特别奖”。它能够用“手“挑选食物,并将其准确无误地送入人嘴里(图7)。


美国飞跃公司研制的“好帮手“护理机器人能在医院里为患者送药送饭,这种机器人靠电脑内储蓄的地图在环境内自由行走。并通过身上的视觉感测器保证其不会碰撞障碍物。它还会叫电梯,上下楼,对患者服务周到,还可以与患者进行沟通,为患者说笑话、讲故事,很受患者欢迎。


英国Mike Topping 公司开发的Handy1康复机器人是目前世界上最成功的一种低价、市售康复机器人,它可以实现为使用者洗脸、刷牙、刮脸和喂饭的生活辅助功能,还可以辅助患者进行诸如绘画的娱乐活动,丰富患者的生活(图8)。


除了这些产品,还有德国的Care-o-Bot3(图9)和Casero 家庭护理机器人,韩国的银色伙伴等智能护理机器人产品,总体来说国外护理机器人整体发展很高,且发展势头迅猛,相关产品在不断出现。


此外,高端智能的护理床也是一种护理机器人,只有少数发达国家企业才有研制,如美国的Stryker Medical(图10),波兰的ArjoHuntleigh(图10),日本的八乐梦 等,这些产品大多融入智能控制、人机交互、生理信息检测、防褥疮等技术,但其售价较高,每张床达到数万美元。国外先进的护理床机器人还正集成监护技术、数字技术及网络等新技术,并具有自主创新技术的系列化新产品。

喂食机器人“我的勺子”

机器人护士 Ri-Man

8 Handy1机器人


9 Care-o-Bot3


 10 ArjoHuntleigh护理床


智能轮椅


智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅、融合多种领域研究技术的产品,其包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等,涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术,也称智能轮椅式移动机器人。在高性能的智能轮椅开发研制方面,欧美发达国家占主导地位,研制的智能轮椅技术相对比较成熟,功能各异,科技含量高,有一些产品已投入市场使用。


1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。


西班牙SIAMO公司研发的智能轮椅系统包括一个完整的环境感知及综合子系统、一个高级决策导航与控制子系统和人机界面三个部分,人机界面有五种方式:呼吸驱动、用户独有语音识别、头部运动、眼电法及智能操作杆。


美国麻省理工智能实验室的智能轮椅Wheelesely为一半自主式机器人轮椅,配备有计算机控制和传感器的电动轮椅,还装有一个Macintosh笔记本电脑用于人机界面交互(图11)。


澳大利亚大学的Alex Zelinsky教授在该机器人基础上引入眼睛跟踪仪,使该轮椅区别于其他轮椅的特点是系统通过探测用户面部角度和瞳孔方向来控制轮椅,使其可以沿着用户目视的方向运动,当用户向下看时轮椅减速,眼睛抬起时轮椅加速。

11 智能轮椅Wheelesely


二、 智能视觉与语音交互


作为康复器械的重要关键共性技术的人机交互技术,除脑机接口的交互技术之外,近年来发展了许多非接触式智能交互技术,包括基于视觉识别与语音识别的智能交互控制等,这些交互技术具有非常广阔的应用前景。


1手势控制


目前,手势识别的大部分研究主要集中在对手的方向和姿态的识别。美国伊利诺伊大学Beckman研究所和日本中央大学的系统工程学系都这方面进行了研究。2009年美国俄克拉何马州立大学设计了可穿戴式手势识别系统。该系统由分割与识别2个模块组成。基于神经网络的分割模块,用来检测手势的开始和结束点。在识别模块中应用了层叠隐马尔可夫模型技术。其采用多传感器融合的方式来收集从脚到腰部的传感信号,几个基本的手势被分配为多个不同的命令,从而帮助残疾人完成对家电的控制。最近,美国微软公司研发的Kinect运动捕捉系统已被大量用来实现康复设备手势控制的人机交互(图12)。2012年美国David HolzMichael Buckwald Leap博士研发了震惊世界的 Leap Motion手指运动捕捉系统,通过红外 LED 和摄像头以其特有的方式来完成对手指的追踪(图13)。Leap造价低廉、体积小巧,能同时追踪几十万个目标,是实现手势人机交互的最新技术。

12 Kinect运动捕捉系统

13 Leap Motion手指运动捕捉系统


2眼动控制


目前基于眼球运动控制方式应用于无障碍环境控制领域的技术主要是眼电图法和计算机图形法。


2000年,Lankford等人设计了基于视觉的眼球追踪装置,通过计算眼角膜反射与瞳孔中心的偏移量来控制鼠标。2003年,Bates提出结合眼动追踪和头部操作的计算机访问辅助接口。2011年,韩国Dongguk大学电气工程学院设计的基于眼球运动的无障碍控制系统通过物体识别和视线跟踪的方法,实现重度残疾人选择和控制家电设备,该系统设计了一种可穿戴的眼镜形状的设备,使用红外相机和照明设备来扑捉图像。实验的结果表明获取的视线跟踪坐标和真实的物体位置只有1.98度的误差。谷歌将在2013年推出谷歌眼镜可以让穿戴式设备借助无线网络来控制房子周围的物体,该设备会使用视觉识别,通过比如RFID、蓝牙、红外线甚至是QR码,来识别并控制设备(图14)。


14 谷歌眼镜控制家电


3面部表情控制


随着计算机技术的发展,面部表情识别技术在无障碍环境控制技术领域发展起来。2002年,Betke为严重残疾人设计了一个基于视觉的鼠标控制接口 ,系统用摄像机追踪用户的面部特征(鼻、唇)以及身体其他部位的变化,将他们转换成屏幕上鼠标指针的移动。2003年,K. Grauman设计了基于视觉的控制接口“BlinkLink”,自动检测用户的眨眼,准确地测量其持续时间,自愿的长闪烁触发鼠标点击,非自愿的短闪烁会被忽略(图15)。2006年,Mauri 等人通过面部色彩追踪,建立了一个残疾人的辅助控制接口。


15 基于视觉的控制接口“BlinkLink系统界面。


4语音识别交互控制


语音识别技术尽管是一种已经研发了很多年的人机交互技术,但是由于其一直存在识别率不高及抗噪音能力差等缺陷,因而在康复器械中成功应用的实例很少。然而,随着美国等发达国家近年来基于嵌入式计算机的高性能语音识别芯片开发,语音交互技术正越来越多地应用于康复器械产品中。2011年,新西兰Massey大学设计了一个帮助老年人起居的语音无线家庭自动化控制系统,该系统由通过语音命令的自动识别和低功耗的无线通信模块组成,通过语音命令来控制所有的灯光和电器,使用差分脉冲编码调制算法压缩语音数据。此外,国外智能轮椅、康复机器人等产品的研发中也有很多语音交互技术的应用。


三、 脑机接口技术


脑机接口Brain-Computer InterfaceBCI),也称作直接神经接口(Direct Neural Interface),它是大脑与外部设备间建立的直接连接通路。在单向脑机接口的情况下,计算机或者接受脑传来的命令,或者发送信号到脑,但不能同时发送和接收信号。而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换。


应用于人体的早期植入设备被设计及制造出来,用于恢复听觉视觉和肢体运动功能障碍。发达国家主要在如下几个领域取得脑机接口的创新成果:


1基于脑电智能头盔的意识交流


用外置式脑机接口实现人的意识控制一直是康复器械领域梦寐以求的人机交互技术。IBM公司资深发明家凯文-布朗(Kevin Brown)最新设计的一种头盔装置(Emotiv头盔)不但能探测感知人们的情绪,而且能够获得脑电波形,使用者可很快熟练这个软件系统,通过大脑意志控制水壶开关,调选电视频道,或者思考手机短信发送给好友(图16)。这将使大脑处于正常状态的全身截瘫者或言语障碍者的人群将受益匪浅。

16 Emotiv头盔


2基于植入神经电极的机械手控制


脑机接口研究的主线是大脑不同寻常的皮层可塑性,它与脑机接口相适应,可以像自然肢体那样控制植入的假肢


日前,美国匹兹堡大学生物医学工程系的Jennifer L Collinger博士等通过在一位四肢瘫痪患者大脑皮质内植入电极,利用神经生物学方法控制高性能假肢,这种假肢可以自由实现各种空间活动(见图17)。美国神经病学家里海-霍兹博格和布朗大学大约翰-唐纳休(John Donoghue)也曾在2006年合作完成了“脑门“工程。他们在一位52岁四肢瘫痪的患者脑皮质区植入了296-通道的皮质区微电极。患者自15年前受伤之后首次能通过机械手臂端起一个咖啡杯,并用吸管饮用咖啡。


17 Jennifer L Collinger 的神经生物学方法控制的高性能假肢



意大利的一支医疗研究团队研制成功的一款新型仿生手,不仅能够完成复杂的动作,而且能通过与患者神经系统的衔接来让患者体验到“逼真“的触感。这款仿生手通过电极与患者的神经系统相连接,患者像普通人一样利用自己的意念来支配仿生手的动作,仿生手也能够将相应的信号反馈给大脑。


3基于植入电刺激的仿生眼与人工耳蜗


全球大约有3900万人失明,视力代偿一直是科学家致力于攻克的技术难题,这一技术最近在发达国家获得了新的进展。以产生电脉冲刺激的电极代替感光的仿生眼,能帮助失明者恢复部分视力,让他们可以在人行道上行走,甚至阅读报纸。图18为仿生眼原理示意图。


美国加州的第二视力医疗产品公司(Second Sight Medical Products)最近成功研发出第二代阿格斯人工视网膜系统(Argus II Retinal Prosthesis System) 并已获得欧洲监管机构和美国食品药物管理局(FDA)核准,在欧洲和美国上市,有望帮助失明者重见光明,目前已帮助超过60名患者恢复不同程度的视力(图19)。以色列纳米视网膜公司2012年也推出一款名为仿生视网膜的产品。这种装置能够通过发射柔和的近红外激光束为植入眼睛的仿生眼供能。仿生视网膜体型娇小,眼科专家在视网膜上切一个小口,在30分钟内就可以把该产品植入眼睛。


18仿生眼原理


19 阿格斯人工视网膜系统


除了植入仿生眼,人工耳蜗也是一种通过刺激电极实现脑机接口的一种电子装置。人工耳蜗由体外言语处理器将声音转换为一定编码形式的电信号,通过植入体内的电极系统直接兴奋听神经来恢复、提高及重建聋人的听觉功能(图20)。近二十多年来,随着高科技的发展,人工耳蜗进展很快,已经从实验研究进入临床应用。现在全世界已把人工耳蜗作为治疗重度聋至全聋的常规方法。


目前全世界人工耳蜗市场主要被澳大利亚Cochlear(最早研制生产人工耳蜗)、美国AdvancedBionics和奥地利MED-EL3家公司的产品所占领。人工耳蜗是迄今最成功、临床应用最普及的脑机接口。图21为配戴人工耳蜗系统的听障患者。

20人工耳蜗系统


21 患者配戴人工耳蜗


四、康复物联网技术


物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。


物联网把新一代IT技术充分运用到康复治疗中,具体地说,就是把感应器嵌入和装备到康复设备中,然后将物联网与现有的互联网整合起来,实现患者治疗与康复系统的整合,在这个整合的网络当中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实现实时的管理和控制。


美国是推动物联网在医疗、康复领域应用的主要国家。自1999年美国首次提出物联网概念以来,美国政务就不遗余力地大力推动这一技术的发展。2009年,美国提出了“智慧地球”的物联网发展理念,奥巴马总统还签署7870亿美元的投资法案,指出将重点在健康医疗、智能电网及教育信息技术等三大领域推进物联网应用。由于面向老年人的居家健康检测与康复又是物联网智能医疗应用的重点方向,近年来,基于物联网的居家健康与老人安全监测系统应用已在美国取得了令人鼓舞的成果,如巴塞罗那医院与Telefonica公司合作开发了基于运动传感器的系统,使医生能够在患者出院后,远程监控患者的康复过程。美国电信开展了从短信提醒患者按时吃药,到远程监控卧床在家患者的饮食起居服务。 运营商甚至推出了一种可食用的电脑芯片,该芯片可以发送信号,把居家患者的生理信息发送到医生的电脑或手机上。这些信息可以帮助医生远程监控患者是否对药物产生了不良反应。图22为基于物联网的居家健康与老人安全监测系统示意。

22 基于物联网的居家健康与老人安全监测系统


此外,欧洲的物联网行动计划,日本的“泛在社会“物联网等项目也均包含了远程医疗与康复的内容。 世界发达国家几乎所有的电信巨头,如法国电信(FTE)ATT、斯普林特Nextel公司、Verizon公司、沃达丰、以及日本的NTT DoCoMo(DCM)KDDI公司都投资于基于物联网的健康保健产业。手机供应商们正在加入一个拥挤的领域。由于成本上升迫使医院对病人的看护,从医院转移到了家中康复,医疗设备巨头,如通用电气医疗公司(GE)、飞利浦(PHG)和西门子公司(SI),芯片制造商如英特尔(INTC)和无数创业企业都在开发远程监控设备、可穿戴的传感器以及与健康相关的移动电话应用。


虚拟现实(Virtual RealityVR)作为一种高科技技术,随着计算机技术的飞速发展而正逐渐显示出其强大的生命力。有人预言它将成为21世纪的十大热门技术之一。虚拟现实是针对人的感官(视觉、听觉、触觉和嗅觉等)产生虚拟效果的技术,具有沉浸性 (immersion) 、交互性(interaction) 、构想性 (imagination)等特点。虚拟现实技术还有许多应用领域有待人们的开拓。


虚拟现实技术已经被广泛应用于康复治疗的各个方面:在注意力缺陷、 空间感知障碍、记忆障碍等认知康复,焦虑、抑郁、恐怖等情绪障碍和其他精神疾患的康复,运动不能、平衡协调性差和舞蹈症等运动障碍康复等领域都取得了很好的康复疗效。虚拟现实技术通过各种传感设备使用户沉浸于该环境中,实现用户与环境进行直接交互,并产生与现实世界中相同的反馈信息,使人们得到与在现实世界中同样的感受。当前国际上研发的虚拟现实系统根据其沉浸程度和系统组成有以下3种:


1)桌面式:以计算机显示器或其它台式显示器的屏幕为虚拟环境的显示装置,其特点是虚拟系统视野小、沉浸感差,但成本与制作要求低、易普及和实现(图23)。


(2)大屏幕式:包括弧形宽屏幕、360°环形屏幕甚至全封闭的半球形屏幕。这种大视野的虚拟环境较好地把观察者与现实环境隔离开来,使人和环境完全融合,虚拟效果接近完美。但该虚拟方式的实现技术非常复杂,开发和运行费用昂贵,通常只为特殊用途而专门开发研制(图24)。


3)头盔式:是上述 2种系统的折中。它将观察景物的屏幕拉近到观察者眼前这样便大大扩展了观察者的视角,而头盔又把观察者与周围现实环境隔离开来,反过来增加了身临其境的效果。另外,在头盔上安装立体声和一些控制装置,则更加增强其沉浸感(图25)。


目前,美国、瑞士及英国等国家的高端康复训练设备中大多集成了虚拟现实技术,这种设备不但具有会更好的康复效果,而且设备本身具有高附加值。


23 患者通过虚拟现实技术(桌面式)进行手部康复训练


24 患者通过虚拟现实技术(大屏幕式)进行步行康复训练



25 患者通过虚拟现实技术(头盔式)进行手部康复训练

参考文献】:[1] 喻洪流 石萍  . 《康复器械技术及路线图规划》,南京:东南大学出版社,2014.

转自《世界康复工程与器械》10 • 2015

喻洪流先生,上海理工大学康复工程与技术研究所所长

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