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康复医疗机器人之现状和未来

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为截肢患者安装假肢是帮助其恢复肢体功能的主要手段。早在年,德国科学家Reihold就研制了世界上第一只肌电控制的假手,它利用一块肌肉的肌电信号控制假手的张开和闭合。年,配备了微处理器的人工膝关节开始进入市场,给以往的假肢市场加入了智能的概念。德国OttoBock公司于年推出了C-Leg仿生假肢,进一步加强了膝盖弯曲控制,能进行像溜冰和骑自行车这样的运动。年,AdaptiveProsthesis将微处理器与液压和气动控制相结合,让假肢有了更自然的行走能力,对步行速度变化的应对也更灵敏。

图23AdaptiveProsthesis(左)和C-leg(右)系列智能假肢在上肢假肢方面,目前应用较多的是肌电控制假肢,自德国奥托博克(OttoBock)公司和奥地利助听器公司(Viennatone)合作研发出第一代肌电假肢系统以来,肌电假肢技术也得到了长足的发展。高自由度的仿生手具备了精细的运动技能,可以完成写作,打字或弹钢琴这样的任务。一些智能假肢手还设计了双向神经信号传输功能,使患者能够感受到触觉刺激,并且用思维控制假肢手运动。世界上已有多家假肢与机器人公司开发了多功能的肌电一体化人工肢体或部件,例如,英国接触仿生(TouchBionics)公司的仿生手(i-LIMB)有5个可以独立控制的手指。图24英国接触仿生(TouchBionics)公司i-limb仿生手目前,从残存肢体表面记录的肌电信号(electromyogram,EMG)已被广泛应用于智能假肢的控制中,利用一对残留肌肉(主缩肌与拮抗肌)控制一个动作自由度。研究发现,大多数截肢患者都存在一种幻觉,认为因截肢而失去的肢体依然存在,这被成为“幻肢感”,当患者通过想象用幻肢做某一动作时,大脑产生运动神经信号使得残存的肌肉收缩,产生肌电信号。智能假肢便是通过采集此肌电信号,在训练中建立肌电信号与假肢关节运动的对应关系,从而实现智能化模拟真实肢体运动。利用这种控制方法,假肢使用者可以自然而直接地选择并完成他们想要做的不同肢体动作。然而,肢体截肢后肌电信息源是有限的。截肢的程度越高,残留的肢体肌肉越少,而需要恢复的肢体动作越多。因此,传统的肌电控制方式很难实现假肢的多自由度控制及直觉操控。未来新一代智能假肢的发展中,脑机接口或神经接口的技术研究非常重要。脑机接口技术的本质是提取和翻译神经细胞的活动。它一方面能够让大脑发出指令,控制计算机或者智能假肢;另一方面,它也能让我们直接解读神经活动的部分信息,通过图像、声音的形式反馈给使用者,如果设计得当,这种实时的反馈会对大脑活动产生积极的调节作用。对于肌肉群少且肌电信号弱的患者来说,利用脑皮层神经集合信号控制运动功能这种方式具有很强的实时性,对运动意图的识别也更为迅速。欧洲和我国的研究者们已经开始尝试利用脑机接口技术,帮助中风和神经损伤的患者更快地康复。由于起步较晚,中国智能假肢产品与国外相比还有一些差距。目前中国各地的假肢厂主要是以装配为主,真正设计生产智能假肢的厂家很少,残疾人广泛使用的产品也以传统的机械式假肢为主。由于肌电假肢控制方法的局限以及智能假肢系统昂贵的价格,导致目前先进的智能假肢在我国还很难得到广泛的普及应用。

其他功能康复机器人

随着人口老龄化,抑郁症、自闭症、老年痴呆症等疾病的发病率越来越高,很多的研究机构试图采用精神药物之外的物理疗法对其进行康复治疗。认知,社交和身体障碍的康复和管理需要对患者进行持续的行为治疗,包括适当频率的身体/认知方面的练习。康复机器人能够监测,激励,鼓励和维持用户身体/认知上的康复训练,因此利用康复机器人系统帮助处理身体和认知障碍具有非常重要的应用前景。南加州大学交互式机器人研究所开发了一款老年认知康复机器人系统,能够帮助衰老或患有阿尔茨海默病的老年患者提升认知功能。该机器人通过让老年患者积极聆听音乐,并练习一系列的认知功能训练任务,例如回忆,记忆,社交互动,警觉和感官刺激来锻炼认知功能,该机器人系统还能够向护理人员、医生提供患者的详细训练报告,帮助医护人员监督和优化康复过程。图25南加州大学为老年阿兹海默症患者的康复陪伴机器人系统南加州大学和内华达大学设计了一款康复机器人系统应用于脑卒中患者术后康复。该机器人可以自主导航,通过传感器感知用户状态和运动数据,并通过提供适当地鼓励和激励信息反馈来监督患者持续进行恢复训练,帮助患者遵循康复计划。康复机器人系统可以帮助神经科学家提高他们对患者大脑功能的总体理解,并通过量化患者与机器人之间的互动和响应,改善康复训练计划。图26南加州大学脑卒中康复机器人系统麻省理工学院专门为老年人开发了一款机器人宠物,该机器人系统能够准确地回应老年人的心理和情绪反应,并给于适度的安慰和陪伴,如播放音乐、语音回答、还能对老年人的抚摸等感官行为作出情绪响应,该机器人宠物在护理院开展的临床实验中使参与实验的老年人产生了强烈的情绪和依恋反应。图27麻省理工学院的Paro机器人宠物麻省理工学院还专门针对儿童心脏病患者开发了一款CosmoBot——儿童发育障碍康复机器人。该系统通过与年龄介于7岁至16岁的年轻心脏病患者使用SAGE环境讲述个人故事并创建互动角色,作为应对心脏疾病,住院和侵入性医疗程序的一种方式。人形机器人的陪伴治疗也被应用于自闭症儿童的治疗中,由于机器人的面部表情单一,更容易获得患者的信任,从而得到更好的治疗效果。图28CosmoBot——儿童发育障碍康复机器人预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇


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