康复工程学的研究与发展
作者：金德闻 张济川
单位：清华大学精密仪器系康复工程研究中心，北京100084
关键词：康复工程；假肢技术；截瘫助行；功能电刺激；环境控制系统
现代康复000501
摘要 康复工程应包括康复工程学和康复工程产业两个方面。本文论述了康复工程内部以及与其他学科的关系，对本世纪后期，特别是近20年康复工程学中主要领域的研究与发展状况进行了综述，内容包括假肢技术、截瘫助行的原理与方法、功能电刺激、视听功能康复、环境控制系统与护理机器人、人体运动信息检测与临床应用6个方面，对当前存在的需进一步研究解决的问题进行了初步探讨。
中图分类号 R496 文献标识码 A 文章编号 1007-5496(2000)05-0643-04
, 百拇医药
State-of-the-arts in rehabilitation engineering science
JIN De-wen
(Tsinghua University, Beijing 100084,China)
ZHANG Ji-chuan.
(Tsinghua University, Beijing 100084,China)
Abstract Rehabilitation engineering should consist of rehabilitation engineering science and its products. The relationship of these two parts and also with other science is expounded. The state- of- the- arts of rehabilitation engineering science during later 20th century, especially in the later 20 years is stated, summering in six main aspects: prosthetics, walking aided, functional electric stimulation, vision and hearing rehabilitation, environment control and rehabilitation care robot, measurement of human movement and its clinic application. Some meaningful subjects need to be investigated are also discussed.
, 百拇医药
Key Words rehabilitation engineering;prosthetics;walking aided； functional electric stimulation;environment control
20世纪是康复工程从起步到发展的时期，第一次世界大战出现一批伤残人员,促进了假肢行业在欧洲的兴起。第二次世界大战后，康复工程不仅在欧洲，而且在北美、亚洲等地区都有了发展，在内容上，不仅包括假肢，还包括感应装置、环境控制、康复护理、神经康复、功能评价等许多方面，康复工程设施的科技水平也从60年代以后日趋科学化、现代化。总的来说，社会的需求与科技的进步带来了康复工程的发展。康复工程应包括康复工程学和康复工程产业两个方面，前者是后者的基础，后者是前者的归宿。它们之间以及它们与其他学科的关系可表示为：
由此可知，康复工程是现代科学技术与人体康复要求相结合的产物。它的理论基础是人机环境一体化和工程仿生，在此基础上形成了服务于各种康复目的的设施与装置，发展成康复工程产业。20世纪后半期，特别是近20年是康复工程向现代化发展迅速的时期。它的发展可以归纳为以下几个方面。
, 百拇医药
1 假肢技术
假肢是康复工程中发展最早的一个领域，在过去的100年中，经历了由初级到高级的过程。下肢假肢主要是围绕保证稳定性、改善步态和减少体力消耗发展的，尤其是膝关节和假脚更为突出。从仿生机构学的角度来看，膝关节机构由单链发展到四杆机构[1]，近几年又出现六杆机构膝关节。杆件数目的增加会增加机构的复杂性，但是由于设计参数的增加，能使大、小腿的相对运动以及踝关节的轨迹更逼近正常步态，从而受到青睐[2]。假肢穿戴者在路面行走是人机环境一体化的动态过程，对该系统的动力学研究是改善步态和提高假肢对环境适应性的基础。人机系统的模型已从简单的残端假肢模型(两缸体、单自由度)发展到把人体包括在内的多缸体动力学模型[3]。动力学研究表明，在步行的一个周期内，膝关节力矩是变化的，而且变化规律与步行速度、路面状况有关，为了适应这些变化，膝关节力矩应具有可控性。在传统的膝关节中，力矩可以由摩擦力、弹簧力、气动装置、液动装置提供。但它们只能在装配时根据患者情况一次调定。为了适应同一患者不同步行速度时所需膝力矩的模式，日本于80年代初,开始研究用单片机控制的智能型膝关节,于1989年报告了研究成果[4],历时9年。日本研制的智能膝关节，用光电方式测出患者步行速度,自动选定已存储于单片机内的力矩模式,控制气动阻尼力装置，以适应几种不同的步行速度。我国在智能型假肢的研究中，率先采用了电流变体这种智能材料[5]。为了提高人体假肢对环境的适应性，德国OttoBock公司最新产品具有对路面小障碍物的识别能力。我国进行了有路况识别功能的智能型膝关节的原理与方法的研究[6]。
, 百拇医药
人脚的主要功能是支撑体重，在运动中产生推力和保持姿态，代偿这些功能的假脚在80年代中，发生了革命性变化，储能脚的出现是假脚发展进入新阶段的里程碑。从动力学观点来看，脚在支撑前期储存能量，在后期释放能量，正常人放/储能量的比值大于100%，由于假脚不能产生能量，这个比值总小于100%，储能脚由于特殊的设计和材料，放/储能比一般在50%以上，远比传统假脚高。在储能脚中，尤其是采用高弹性、高强度的碳素纤维复合材料的假脚最高，可高达95%以上[7]，我国研制的采用玻璃纤维复合材料储能脚能达到80%[8]。
在上肢假肢的发展中，动作的精巧、准确和控制方式自然是人们追求的目标。具有对被抓取物体形状的适应能力的假手，对握力和温度感觉反馈功能的假手[9]均取得一定进展。肌肉电信号控制假手，由于可与人的意念相一致而受到人们的重视，在单自由度假肢中得到广泛应用。在多自由度假肢控制中，准确率不高是一直困扰康复工作者的一个问题，由于多自由度假肢适用于高位截肢者，可利用的信息源少，解决的方法之一便是进行残端再造，开发新信息源[10]。另一个途径是研究人体关节运动的协调关系，建立“协调元空间”，以减少系统的自由度[11]。
, 百拇医药
假肢技术中，接受腔是人机接口界面，直接影响使用的舒适、安全和效果，对接触面的力学分析是合理地、科学地设计界面形状的基础，有不少学者致力于界面力学模型的研究。有限元法是较普遍应用的方法[12]，但人体组织建模还有待进一步研究[13]。在接受腔的制作技术方面，现代制造中的CAD/CAM系统从80年代后期开始用于接受腔制作，首先是英国伦敦大学研制的UCL系统，以后美国、加拿大等国也研究了自己的系统。此类系统都用非接触方法测量残端形状，能自动生成接收腔制作文件，并有三维图像显示，还可根据专家经验对数据进行修改，以达到更好的效果[14,15]。近几年，随着信息科学的发展，此类系统已开始与网络联接，实现远程制作。
人机接口方面，一个十分重要的发展是骨植入装配技术的出现[16],它摆脱了传统的接受腔方式，将人工骨植入人体，一端与残端的骨骼相接，另一端与假肢联接。这种方法由于没有接受腔而舒适性好，并且运动范围也因没有接受腔限制而加大。此外残端软组织不承受力，从而使受力状态也更为合理，目前在瑞典已有成功的病例，但仍然有不少问题有待解决。
, 百拇医药
2 截瘫助行的原理与方法
使截瘫患者从轮椅上站起来，是患者与康复工作者的梦想，他们也为此付出了艰辛的劳动。最基本的方法是自动力式步行器，或称活动矫形器、交替步态矫形器(Reciprocating Gait Othosis,RGO)[17]。由于站立和行走具有预防肌肉挛缩,减少骨矿物质损失和改善血液循环等优点,近年来国内外,对步行器的研究与实验已成为新的热点,在英国和美国均形成了产品。
自动力式步行器的原理是当患者穿上这种矫形器后,利用手杖或其他助行装置使身体向一侧前方倾斜,在另一侧形成脚与地间的间隙。由于在髋关节处装有摩擦力很小的铰链,腿部在重力作用下,可向前迈一小步。在髋关节和膝关节处均装有锁紧装置,以保证支撑腿的稳定性。当患者坐下时,只将膝关节在适当位置锁紧。自动力式步行器存在的问题是，步行时体力消耗大,因此不宜长时间使用。
采用功能电刺激的方法交替刺激多块肌肉，使患者步行的方法已进行了多年研究。80年代以来,一个重要的趋势是将功能电刺激与活动矫形器结合起来的混合式交替步态矫形器(Hybrid RGO)[18]。这种装置在患者向前迈步时,利用功能电刺激大腿肌肉,使腿摆动,以节省体力。美国甚至正在研究将这种步行器用于完全截瘫患者以及实现上下楼梯等功能[14]。在节省体力方面，日本和英国还研究了利用气动装置的截瘫步行器。它可以在支撑期时，利用身体压缩气体、储备能量以帮助腿摆动。
, 百拇医药
外动力式步行器是利用电机驱动活动矫形器，实现腿的摆动，这不仅可减少体力消耗，还可以利用适当的机构，使膝关节在摆动期适当屈膝，以提供脚与地之间足够的间隙，使步态更趋自然[19]。外动力式步行器还可采用肌电信号控制，实现患者的自主控制。
虽然步行器的研究已取得很多成就，轮椅仍然是主要的、普遍采用的代步工具。轮椅的基本功能是使患者利用上肢的能力实现移动，具有这种基本功能的轮椅品种很多，但从全面康复的角度来说,只代替平地行走的功能是很不够的。近年来围绕轮椅的功能和生物力学性能在国内、外开展了许多研究。主要有:(1)具有各种功能的轮椅，包括有站立功能的轮椅，有上、下楼梯功能的轮椅等。可站立轮椅能改善患者血运状态，还可帮助患者拿取物体，中国康复研究中心已于1990年研制成这种轮椅。此外,有的轮椅还可实现平卧。不具备上、下楼梯的功能是目前轮椅存在的主要问题之一，为了解决此问题,有的在有楼梯处增设轮椅电梯,即在楼梯一侧安装电动小车来运送轮椅，也有的地方用履带式爬行装置运送轮椅，但这些都需改造环境,适用于残疾人集中的地区。在轮椅上安装附件,使其自身具有爬楼梯功能的方法是一种有益的探索[20]，其难度在于如何使驱动力尽可能小和保证其稳定性。(2)轮椅的人机工程学研究。在轮椅与乘坐者构成的人机系统中，有许多人机工程问题需要研究，它们直接涉及乘坐者的舒适性、驱动效率和稳定性等。目前普遍采用的自推式轮椅,驱动效率非常低,平均只有5%，因此改变驱动方法提高效率是很有意义的。从有效地利用臂力来看,摇杆式驱动比轮环式要高，美国Dundce大学设计了单向驱动的连杆系统,其效率大大高于轮环驱动，Virginia大学还对轮椅的效率、推行阻力、机动性、稳定性等方面进行了一系列研究，实验表明坐椅的位置、轮子直径、轮胎材料等均对驱动效率有相当大的影响。在国外不少轮椅乘坐者也需要驾驶汽车，因此对人体轮椅汽车系统及其安全性的研究与开发也在展开。
, http://www.100md.com
3 功能电刺激
功能电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)是应用电压或电流等电信号刺激神经肌肉,使丧失神经控制的肌肉产生收缩,达到康复治疗和功能重建的目的，适用于肢体麻痹、尿失禁、脊柱侧弯、呼吸障碍等。目前它不仅用于康复也用于运动员或职业病患者的疲劳恢复和治疗肌肉劳损。
功能电刺激的临床应用最早出现在1960年，当时用于改善足下垂患者的步态，以后又逐渐用于截瘫患者的站立、行走，偏瘫患者肌力恢复等，我国在用功能电刺激使偏瘫患者康复方面，开展了很有价值的研究与临床应用[21]。
在研究、开发和应用更先进的功能电刺激系统方面,还有些重要的问题有待进一步研究。它们也是当前康复工程研究的热点：(1)电刺激参数与肌肉收缩力(位移)的关系,通常称为募集曲线(Recruitment Curve)，这是人们长期以来一直在探索的一个问题。募集曲线通常是非线性的，在刺激量很小时有一段“死区”,当刺激达到一定值(阈值)后,随着刺激量的增加,肌肉收缩力增大,到一定程度后,又出现“饱和”状态。由于募集曲线与肌肉的状态、病种、病情及疲劳状况均有很大关系，直接进行实验有相当大的困难。目前除了进行动物实验以外，还采用建立肌骨动力学模型的方法以求得出科学的结果，为发展更先进的功能电刺激系统服务[22]。(2)闭环控制的FES系统，具有闭环控制的FES系统可实现对电刺激量的精确控制,使肌肉收缩稳定,线性度变好和减少肌肉疲劳。用于反馈控制的信号有肌电信号、关节运动、肌肉力或运动轨迹等。在国外由欧共体出资正在研究将三维实时运动分析系统用于FES的闭环控制,以确定截瘫患者的最优控制[23]，在我国，也在研究角位移反馈、肌肉电反馈闭环控制的FES系统[24]。
, 百拇医药
4 视、听功能康复
对失明者来说，导盲装置是康复的主要手段，多年来，许多国家将高科技用于导盲装置，研究和生产了各种电子导盲装置，日本还与机器人技术结合,研制成导盲的电子犬等。从全面康复的观点来看，视觉康复除了导盲和避障装置外还应满足盲人职业需求。盲文印刷、盲文显示和盲文译读系统以及适宜盲人使用的计算机操纵系统在国内外已受到普遍重视。在新兴的网络业中，如何解决盲人上网的界面问题已是迫切要解决的问题。在科技高度发达的今天，运用微型摄像机、计算机及植入脑中电极，使盲人得到“电眼”，恢复视觉的康复新途径，已有报道，此项成果，对于视觉康复具有划时代意义。
听觉康复方面，目前广泛应用的是助听器，而且随着老年人数的增多,需求量还将扩大。人工中耳是一种植入式小型助听器，它用振子直接驱动中耳中的镫骨实现声音传递，日本对这种装置进行了较为深入的研究。此外，基于耳蜗传递声音信号的生理原理研究用电刺激方法恢复听觉的人工电子耳蜗，是目前使全聋患者康复的唯一手段。人工耳蜗是从60年代开始进行研究的，到1997年世界上约有2万人装有不同类型的电子耳蜗，主要在欧美发达国家，如美国、澳大利亚等，其中澳大利亚研制的22通道电子耳蜗，已有7200人使用[25]。我国一些单位从1979年起,相继开展了此项研究[26]，近几年又在适合汉语特征和我国消费水平的电子耳蜗方面开展了研究。
, http://www.100md.com
5 环境控制系统和护理机器人
这一领域的研究主要面向重残者，使他们利用尚存的功能，实现部分生活自理，如开门、取物、拨电话、开电灯和电视等。环境控制系统(Environment Control Unit,ECU)系统的关键是提供一个利用残疾人尚有的功能与电器设备间的人机接口，可利用的功能很多，包括身体某部位的微动，吹气等，也可用人体生物信息如肌肉电、脑电信号。美国已采用这种方法帮助重残者进行计算机操作，日本研究了利用眼球转动的环境控制系统，实现“看到什么就得到什么”的设想[27]。我国在利用脑电信号方面，取得了令人瞩目的进展[28]。
护理机器人是帮助重残者拿取用品的设施，它在第二代机器人——服务机器人中占有重要地位。与其他的服务机器人如清洁机器人、搬运机器人等相比，护理机器人有其特殊要求。除了安全性以外，它的用户界面特殊、工作强度不大、精度不高，但应有一定程度的智能化。在护理机器人的研究中，欧美国家起步较早，已开发出的护理机器人有如下3种类型：(1)工作站式机器人：工作站由操作平台、四周物品和设备构成，机器人按操作要求,从相应的物品架上抓取所需物品。属于此类机器人的有美国的Desktop Vocational Assistant Robot机器人、加拿大的Regencies机器人和法国的Master机器人[29]等。(2)搭载式机器人:它是装在轮椅上的多自由度机械手。荷兰的Manus机器人便属于此类，机械手具有5个自由度。(3)移动式护理机器人:它是将机械手装在可移动的小车上,因此活动范围比较大,可实现大范围内作业。美国Stanford大学开发的MOVAR机器人[30]可以穿行到各个房间,机械手上装有力传感器和接近觉传感器以保证工作安全可靠。
, http://www.100md.com
6 人体运动信息检测及其临床应用
近代步态分析系统包括关节运动参数测量、关节力矩分析和动态肌电信号的提取。可用于各种临床目的，如测定功能障碍的程度和康复效果的评定，康复措施和设备的生物力学分析乃至康复治疗方案和参数(FES)的确定等，近10年来，在国外已越来越多地将步态分析系统用于康复领域，这主要是由于设备的不断发展和完善，对康复对象这一特殊群体，测量装置不给受试者增加负担和限制尤为重要。因此运用摄像机和计算机多媒体技术的系统具有特殊的优越性，另外，友好的用户界面和方便的数据处理为临床应用提供了很大方便[31]。
从今后的发展来看，硬件系统还应进一步提高采样速度，扩大运动测量范围和实现数据的快速处理。在临床应用方面，需要开展各种损伤和功能障碍与人体运动参数间的关系的研究，特别是定量的分析，以便给临床医师更多的指导。
现在，我们正在迎来科技更加发达的21世纪，康复工程也将随着社会的需求进一步发展。可以预料，社会人口的老龄化和人们对生活质量要求的提高将是康复工程发展的又一个机遇。从需求方面来说，满足老龄人口需求的设施将成为社会关注的新热点。老年病患者病后的康复、老龄人口生活的自立、老年人精神生活的满足等，向康复工程提出了一系列要求。在康复工程的科技水平上，今后也必然有新的提高。人工智能、纳米技术、生物材料、组织工程、基因工程以及对人体自身功能的进一步认识，都会给康复工程注入新的活力。
, http://www.100md.com
康复工程将为人类自身的幸福作出新的贡献!
作者简介 金德闻(1938-)，女，教授，中国康复医学会康复医学工程专业委员会主任委员。研究方向：人体假肢工程学。
参考文献
[1]CW Radcliffe.Four- bar linkage prosthetic knee mechanisms:kine matics, alignment and prescription criteria[J]. Prosthetics and Orthotics International,1994, 18:159～ 173
[2]Ruihong Zhang, Linhong Ji, Dewen Jin, et al. A study on six- bar linkage knee prosthesis[J]. J Biomedical Engineering, 1999,8(3):5～ 6
, http://www.100md.com
[3]Dong Yuzheng, Jin Dewen, Zhang Jichuan, et al.A study on the multi- rigid- body model for human walking in swing phase[J].Chinese J Biomedical Eng ,1995,4(3):152
[4]Akio Nakagawo, Ichiro Kitayama .Micro- computer controlled above knee intelligent prosthesis[R]. Proc 6th World Congress of ISPO,Kobe, Japan, 1989.71
[5]金德闻，王人成，白彩勤,等.电流变液智能下肢假肢摆动相控制原理和方法[J].清华大学学报，1998,38(1):40～43
[6]张瑞红，金德闻，张济川,等.不同路况下步态分析[C].全国第三届康复医学工程学会研讨会论文集，1999.122～ 125
, http://www.100md.com
[7]Joseph M,Czerniccki, Andrew Gitter .Joint moment and muscle power output characteristics of below knee amputees during running: the influence of energy storing prosthetic feet[J]. Bio- Mechanics, 1991, 24(1): 63～ 75
[8]D Jin， N Fergusson, W Kang,et al. dynamic element analysis of a prosthetic foot[R]. proc of the International Conference on Modern Design.Manufacturing and Measurement. Beijing,1993.178～ 181
[9]CHM,Boosfeld, Zhang Jichuan. Sensory feedback of the gripping force of an EMG controlled forearm prosthesis[R].Proc 6th World Congress of ISPO, Kobe, Japan, 1989. 137
, http://www.100md.com
[10]胡天培,王森章，刘国庆,等.再造指控制电子假手的电脑控制系统研究[J].中国生物医学工程学报，1997，16(2):142～146
[11]Christopher D, Manuel Hulliger, Robert G L, et al. quantitative analysis of human movement synergies: constructive pattern analysis for gait[J]. Journal of Motor Behavior, 1994,26(2): 83～ 102
[12]张明，麦福达.计算机辅助设计和应力分析模型[J].现代康复，2000，4(2)：192～193
[13]Dulley S Childress, Jeffrey, J Berkley.Determining soft tissue ma terial properties for the purpose of finite element modeling of the residual kLimb in transtibial amputation[R]. Rehabilitation R＆ D Progress Reports,1997,35:72
, 百拇医药
[14]Klasson B.Computer aided design, Computer aided manufacture and other computer aided in prosthesis and orthotics[J].Prothet Orthot Int,1985,9:3～ 11
[15]Torres- Moreno R.Computer aided design and manu facture of an above knee amputee socket[J].J Biomed Eng Jan,1991,13:3～ 9
[16]GLundborg, PL Branemark, B Rosen, et al. Ossceoin tegrated thumb prostheses: a concept for fixation of digit prosthetic devices [J]. Journal of Hand Surgery.1996,21:216～ 221
, http://www.100md.com
[17]Guidera KJ,Smith S, Raney E, et al. Use of the reciprocating gait orthosis in myelodysplasia[J].J Peditr Orthop， 1993,1:341～ 348
[18]Moshe Solomonow, E Reisin， et al.Medical evaluation of 70 para plegi-cs using a practical FES walking orthosis[R].Rehabilitation R＆ D Progress Reports, 1997,35:218
[19]Jichuan Zhang, Dewen Jin, WA Gruver, et al.Motor- actuated exo- skeletal walking mechanism[R]. Proc 7th World Congress of ISPO, Chicago, USA, 1992, 352～ 355
, 百拇医药
[20]项海筹，乌兰木齐，张济川.手动爬楼梯轮椅[J].中国康复医学杂志，1994,9(2):62～66,[21]黄英华.功能性电刺激治疗截瘫-20例报告[J].中国康复医学杂志，1989,4(5):29～30
[22]Jeseph Mizrahi, Leonid Livshitz, Pini Einziger. Dynamics of force. recruitment of the paralyzed muscle by FES[R].Rehabilitation R＆ D Progress Reports, 1997. 74
[23]Maurijio Ferrann, Guido Baroni, Giancarlo Ferrigno, et al.Applica tion of a 3- D real Time motion analysis technique for the develop ment of closed- loop control system for FES[R].Rehabilitation R＆ D Progress Reports, 1997.72
, http://www.100md.com
[24]王磊，罗致诚.神经肌肉功能刺激的肌电闭环控制[J].中国康复医学杂志，1990,5(3):118～122
[25]Jolly CN, Spelman FA, Clopton BM.Quadrupolar stimulation for cochlear prosthesis: modeling and experimental data IEEE trans[J]. BME,1996, 43(8): 857～ 865
[26]曹克利，王直中，王开羡.16通道人工耳蜗植入装置的原理和研制[J].北京生物医学工程，1994，13(3)：140～143
[27]Suzuki M, Saito M, Ji LH, et al.An eye gaze interface using a Laser pointer for an assistive manipulator[R]. Proc.ICBME 99, China,1999. 27～ 28
, http://www.100md.com
[28]Cheng Ming, Gao Shangkai.An EEG- based cursor control system[R]. the first joint meeting of BMES and EMBS, 1999 annual fall meeting of the biomedical engineering society, 21th annual fall international conference of the IEEE engineering in medicine and biology society. Hyatt Regency Atlanta, USA, 1999.13～ 16,[29]Preising B, Hsia TC, Mittelastadt B. A literature review: robots in medicine[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology, 1991,10(2), 13～ 22
[30]Michiel Van der Loos.HF, VA /Stanford.Rehabilitation robotics research and development program: Lessons learned in the application of Robotics, technology to the field of rehabilitation[J].IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 1991,3(1):46～ 55
[31]Jod A, Delidsa. Gait analysis in the science of rehabilitation[M]. published by Department of Veterans Affairs Veterans Health Administration, USA,1998
(收稿：2000-03-01), 百拇医药
单位：清华大学精密仪器系康复工程研究中心，北京100084
关键词：康复工程；假肢技术；截瘫助行；功能电刺激；环境控制系统
现代康复000501
摘要 康复工程应包括康复工程学和康复工程产业两个方面。本文论述了康复工程内部以及与其他学科的关系，对本世纪后期，特别是近20年康复工程学中主要领域的研究与发展状况进行了综述，内容包括假肢技术、截瘫助行的原理与方法、功能电刺激、视听功能康复、环境控制系统与护理机器人、人体运动信息检测与临床应用6个方面，对当前存在的需进一步研究解决的问题进行了初步探讨。
中图分类号 R496 文献标识码 A 文章编号 1007-5496(2000)05-0643-04
, 百拇医药
State-of-the-arts in rehabilitation engineering science
JIN De-wen
(Tsinghua University, Beijing 100084,China)
ZHANG Ji-chuan.
(Tsinghua University, Beijing 100084,China)
Abstract Rehabilitation engineering should consist of rehabilitation engineering science and its products. The relationship of these two parts and also with other science is expounded. The state- of- the- arts of rehabilitation engineering science during later 20th century, especially in the later 20 years is stated, summering in six main aspects: prosthetics, walking aided, functional electric stimulation, vision and hearing rehabilitation, environment control and rehabilitation care robot, measurement of human movement and its clinic application. Some meaningful subjects need to be investigated are also discussed.
, 百拇医药
Key Words rehabilitation engineering;prosthetics;walking aided； functional electric stimulation;environment control
20世纪是康复工程从起步到发展的时期，第一次世界大战出现一批伤残人员,促进了假肢行业在欧洲的兴起。第二次世界大战后，康复工程不仅在欧洲，而且在北美、亚洲等地区都有了发展，在内容上，不仅包括假肢，还包括感应装置、环境控制、康复护理、神经康复、功能评价等许多方面，康复工程设施的科技水平也从60年代以后日趋科学化、现代化。总的来说，社会的需求与科技的进步带来了康复工程的发展。康复工程应包括康复工程学和康复工程产业两个方面，前者是后者的基础，后者是前者的归宿。它们之间以及它们与其他学科的关系可表示为：
由此可知，康复工程是现代科学技术与人体康复要求相结合的产物。它的理论基础是人机环境一体化和工程仿生，在此基础上形成了服务于各种康复目的的设施与装置，发展成康复工程产业。20世纪后半期，特别是近20年是康复工程向现代化发展迅速的时期。它的发展可以归纳为以下几个方面。
, 百拇医药
1 假肢技术
假肢是康复工程中发展最早的一个领域，在过去的100年中，经历了由初级到高级的过程。下肢假肢主要是围绕保证稳定性、改善步态和减少体力消耗发展的，尤其是膝关节和假脚更为突出。从仿生机构学的角度来看，膝关节机构由单链发展到四杆机构[1]，近几年又出现六杆机构膝关节。杆件数目的增加会增加机构的复杂性，但是由于设计参数的增加，能使大、小腿的相对运动以及踝关节的轨迹更逼近正常步态，从而受到青睐[2]。假肢穿戴者在路面行走是人机环境一体化的动态过程，对该系统的动力学研究是改善步态和提高假肢对环境适应性的基础。人机系统的模型已从简单的残端假肢模型(两缸体、单自由度)发展到把人体包括在内的多缸体动力学模型[3]。动力学研究表明，在步行的一个周期内，膝关节力矩是变化的，而且变化规律与步行速度、路面状况有关，为了适应这些变化，膝关节力矩应具有可控性。在传统的膝关节中，力矩可以由摩擦力、弹簧力、气动装置、液动装置提供。但它们只能在装配时根据患者情况一次调定。为了适应同一患者不同步行速度时所需膝力矩的模式，日本于80年代初,开始研究用单片机控制的智能型膝关节,于1989年报告了研究成果[4],历时9年。日本研制的智能膝关节，用光电方式测出患者步行速度,自动选定已存储于单片机内的力矩模式,控制气动阻尼力装置，以适应几种不同的步行速度。我国在智能型假肢的研究中，率先采用了电流变体这种智能材料[5]。为了提高人体假肢对环境的适应性，德国OttoBock公司最新产品具有对路面小障碍物的识别能力。我国进行了有路况识别功能的智能型膝关节的原理与方法的研究[6]。
, 百拇医药
人脚的主要功能是支撑体重，在运动中产生推力和保持姿态，代偿这些功能的假脚在80年代中，发生了革命性变化，储能脚的出现是假脚发展进入新阶段的里程碑。从动力学观点来看，脚在支撑前期储存能量，在后期释放能量，正常人放/储能量的比值大于100%，由于假脚不能产生能量，这个比值总小于100%，储能脚由于特殊的设计和材料，放/储能比一般在50%以上，远比传统假脚高。在储能脚中，尤其是采用高弹性、高强度的碳素纤维复合材料的假脚最高，可高达95%以上[7]，我国研制的采用玻璃纤维复合材料储能脚能达到80%[8]。
在上肢假肢的发展中，动作的精巧、准确和控制方式自然是人们追求的目标。具有对被抓取物体形状的适应能力的假手，对握力和温度感觉反馈功能的假手[9]均取得一定进展。肌肉电信号控制假手，由于可与人的意念相一致而受到人们的重视，在单自由度假肢中得到广泛应用。在多自由度假肢控制中，准确率不高是一直困扰康复工作者的一个问题，由于多自由度假肢适用于高位截肢者，可利用的信息源少，解决的方法之一便是进行残端再造，开发新信息源[10]。另一个途径是研究人体关节运动的协调关系，建立“协调元空间”，以减少系统的自由度[11]。
, 百拇医药
假肢技术中，接受腔是人机接口界面，直接影响使用的舒适、安全和效果，对接触面的力学分析是合理地、科学地设计界面形状的基础，有不少学者致力于界面力学模型的研究。有限元法是较普遍应用的方法[12]，但人体组织建模还有待进一步研究[13]。在接受腔的制作技术方面，现代制造中的CAD/CAM系统从80年代后期开始用于接受腔制作，首先是英国伦敦大学研制的UCL系统，以后美国、加拿大等国也研究了自己的系统。此类系统都用非接触方法测量残端形状，能自动生成接收腔制作文件，并有三维图像显示，还可根据专家经验对数据进行修改，以达到更好的效果[14,15]。近几年，随着信息科学的发展，此类系统已开始与网络联接，实现远程制作。
人机接口方面，一个十分重要的发展是骨植入装配技术的出现[16],它摆脱了传统的接受腔方式，将人工骨植入人体，一端与残端的骨骼相接，另一端与假肢联接。这种方法由于没有接受腔而舒适性好，并且运动范围也因没有接受腔限制而加大。此外残端软组织不承受力，从而使受力状态也更为合理，目前在瑞典已有成功的病例，但仍然有不少问题有待解决。
, 百拇医药
2 截瘫助行的原理与方法
使截瘫患者从轮椅上站起来，是患者与康复工作者的梦想，他们也为此付出了艰辛的劳动。最基本的方法是自动力式步行器，或称活动矫形器、交替步态矫形器(Reciprocating Gait Othosis,RGO)[17]。由于站立和行走具有预防肌肉挛缩,减少骨矿物质损失和改善血液循环等优点,近年来国内外,对步行器的研究与实验已成为新的热点,在英国和美国均形成了产品。
自动力式步行器的原理是当患者穿上这种矫形器后,利用手杖或其他助行装置使身体向一侧前方倾斜,在另一侧形成脚与地间的间隙。由于在髋关节处装有摩擦力很小的铰链,腿部在重力作用下,可向前迈一小步。在髋关节和膝关节处均装有锁紧装置,以保证支撑腿的稳定性。当患者坐下时,只将膝关节在适当位置锁紧。自动力式步行器存在的问题是，步行时体力消耗大,因此不宜长时间使用。
采用功能电刺激的方法交替刺激多块肌肉，使患者步行的方法已进行了多年研究。80年代以来,一个重要的趋势是将功能电刺激与活动矫形器结合起来的混合式交替步态矫形器(Hybrid RGO)[18]。这种装置在患者向前迈步时,利用功能电刺激大腿肌肉,使腿摆动,以节省体力。美国甚至正在研究将这种步行器用于完全截瘫患者以及实现上下楼梯等功能[14]。在节省体力方面，日本和英国还研究了利用气动装置的截瘫步行器。它可以在支撑期时，利用身体压缩气体、储备能量以帮助腿摆动。
, 百拇医药
外动力式步行器是利用电机驱动活动矫形器，实现腿的摆动，这不仅可减少体力消耗，还可以利用适当的机构，使膝关节在摆动期适当屈膝，以提供脚与地之间足够的间隙，使步态更趋自然[19]。外动力式步行器还可采用肌电信号控制，实现患者的自主控制。
虽然步行器的研究已取得很多成就，轮椅仍然是主要的、普遍采用的代步工具。轮椅的基本功能是使患者利用上肢的能力实现移动，具有这种基本功能的轮椅品种很多，但从全面康复的角度来说,只代替平地行走的功能是很不够的。近年来围绕轮椅的功能和生物力学性能在国内、外开展了许多研究。主要有:(1)具有各种功能的轮椅，包括有站立功能的轮椅，有上、下楼梯功能的轮椅等。可站立轮椅能改善患者血运状态，还可帮助患者拿取物体，中国康复研究中心已于1990年研制成这种轮椅。此外,有的轮椅还可实现平卧。不具备上、下楼梯的功能是目前轮椅存在的主要问题之一，为了解决此问题,有的在有楼梯处增设轮椅电梯,即在楼梯一侧安装电动小车来运送轮椅，也有的地方用履带式爬行装置运送轮椅，但这些都需改造环境,适用于残疾人集中的地区。在轮椅上安装附件,使其自身具有爬楼梯功能的方法是一种有益的探索[20]，其难度在于如何使驱动力尽可能小和保证其稳定性。(2)轮椅的人机工程学研究。在轮椅与乘坐者构成的人机系统中，有许多人机工程问题需要研究，它们直接涉及乘坐者的舒适性、驱动效率和稳定性等。目前普遍采用的自推式轮椅,驱动效率非常低,平均只有5%，因此改变驱动方法提高效率是很有意义的。从有效地利用臂力来看,摇杆式驱动比轮环式要高，美国Dundce大学设计了单向驱动的连杆系统,其效率大大高于轮环驱动，Virginia大学还对轮椅的效率、推行阻力、机动性、稳定性等方面进行了一系列研究，实验表明坐椅的位置、轮子直径、轮胎材料等均对驱动效率有相当大的影响。在国外不少轮椅乘坐者也需要驾驶汽车，因此对人体轮椅汽车系统及其安全性的研究与开发也在展开。
, http://www.100md.com
3 功能电刺激
功能电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)是应用电压或电流等电信号刺激神经肌肉,使丧失神经控制的肌肉产生收缩,达到康复治疗和功能重建的目的，适用于肢体麻痹、尿失禁、脊柱侧弯、呼吸障碍等。目前它不仅用于康复也用于运动员或职业病患者的疲劳恢复和治疗肌肉劳损。
功能电刺激的临床应用最早出现在1960年，当时用于改善足下垂患者的步态，以后又逐渐用于截瘫患者的站立、行走，偏瘫患者肌力恢复等，我国在用功能电刺激使偏瘫患者康复方面，开展了很有价值的研究与临床应用[21]。
在研究、开发和应用更先进的功能电刺激系统方面,还有些重要的问题有待进一步研究。它们也是当前康复工程研究的热点：(1)电刺激参数与肌肉收缩力(位移)的关系,通常称为募集曲线(Recruitment Curve)，这是人们长期以来一直在探索的一个问题。募集曲线通常是非线性的，在刺激量很小时有一段“死区”,当刺激达到一定值(阈值)后,随着刺激量的增加,肌肉收缩力增大,到一定程度后,又出现“饱和”状态。由于募集曲线与肌肉的状态、病种、病情及疲劳状况均有很大关系，直接进行实验有相当大的困难。目前除了进行动物实验以外，还采用建立肌骨动力学模型的方法以求得出科学的结果，为发展更先进的功能电刺激系统服务[22]。(2)闭环控制的FES系统，具有闭环控制的FES系统可实现对电刺激量的精确控制,使肌肉收缩稳定,线性度变好和减少肌肉疲劳。用于反馈控制的信号有肌电信号、关节运动、肌肉力或运动轨迹等。在国外由欧共体出资正在研究将三维实时运动分析系统用于FES的闭环控制,以确定截瘫患者的最优控制[23]，在我国，也在研究角位移反馈、肌肉电反馈闭环控制的FES系统[24]。
, 百拇医药
4 视、听功能康复
对失明者来说，导盲装置是康复的主要手段，多年来，许多国家将高科技用于导盲装置，研究和生产了各种电子导盲装置，日本还与机器人技术结合,研制成导盲的电子犬等。从全面康复的观点来看，视觉康复除了导盲和避障装置外还应满足盲人职业需求。盲文印刷、盲文显示和盲文译读系统以及适宜盲人使用的计算机操纵系统在国内外已受到普遍重视。在新兴的网络业中，如何解决盲人上网的界面问题已是迫切要解决的问题。在科技高度发达的今天，运用微型摄像机、计算机及植入脑中电极，使盲人得到“电眼”，恢复视觉的康复新途径，已有报道，此项成果，对于视觉康复具有划时代意义。
听觉康复方面，目前广泛应用的是助听器，而且随着老年人数的增多,需求量还将扩大。人工中耳是一种植入式小型助听器，它用振子直接驱动中耳中的镫骨实现声音传递，日本对这种装置进行了较为深入的研究。此外，基于耳蜗传递声音信号的生理原理研究用电刺激方法恢复听觉的人工电子耳蜗，是目前使全聋患者康复的唯一手段。人工耳蜗是从60年代开始进行研究的，到1997年世界上约有2万人装有不同类型的电子耳蜗，主要在欧美发达国家，如美国、澳大利亚等，其中澳大利亚研制的22通道电子耳蜗，已有7200人使用[25]。我国一些单位从1979年起,相继开展了此项研究[26]，近几年又在适合汉语特征和我国消费水平的电子耳蜗方面开展了研究。
, http://www.100md.com
5 环境控制系统和护理机器人
这一领域的研究主要面向重残者，使他们利用尚存的功能，实现部分生活自理，如开门、取物、拨电话、开电灯和电视等。环境控制系统(Environment Control Unit,ECU)系统的关键是提供一个利用残疾人尚有的功能与电器设备间的人机接口，可利用的功能很多，包括身体某部位的微动，吹气等，也可用人体生物信息如肌肉电、脑电信号。美国已采用这种方法帮助重残者进行计算机操作，日本研究了利用眼球转动的环境控制系统，实现“看到什么就得到什么”的设想[27]。我国在利用脑电信号方面，取得了令人瞩目的进展[28]。
护理机器人是帮助重残者拿取用品的设施，它在第二代机器人——服务机器人中占有重要地位。与其他的服务机器人如清洁机器人、搬运机器人等相比，护理机器人有其特殊要求。除了安全性以外，它的用户界面特殊、工作强度不大、精度不高，但应有一定程度的智能化。在护理机器人的研究中，欧美国家起步较早，已开发出的护理机器人有如下3种类型：(1)工作站式机器人：工作站由操作平台、四周物品和设备构成，机器人按操作要求,从相应的物品架上抓取所需物品。属于此类机器人的有美国的Desktop Vocational Assistant Robot机器人、加拿大的Regencies机器人和法国的Master机器人[29]等。(2)搭载式机器人:它是装在轮椅上的多自由度机械手。荷兰的Manus机器人便属于此类，机械手具有5个自由度。(3)移动式护理机器人:它是将机械手装在可移动的小车上,因此活动范围比较大,可实现大范围内作业。美国Stanford大学开发的MOVAR机器人[30]可以穿行到各个房间,机械手上装有力传感器和接近觉传感器以保证工作安全可靠。
, http://www.100md.com
6 人体运动信息检测及其临床应用
近代步态分析系统包括关节运动参数测量、关节力矩分析和动态肌电信号的提取。可用于各种临床目的，如测定功能障碍的程度和康复效果的评定，康复措施和设备的生物力学分析乃至康复治疗方案和参数(FES)的确定等，近10年来，在国外已越来越多地将步态分析系统用于康复领域，这主要是由于设备的不断发展和完善，对康复对象这一特殊群体，测量装置不给受试者增加负担和限制尤为重要。因此运用摄像机和计算机多媒体技术的系统具有特殊的优越性，另外，友好的用户界面和方便的数据处理为临床应用提供了很大方便[31]。
从今后的发展来看，硬件系统还应进一步提高采样速度，扩大运动测量范围和实现数据的快速处理。在临床应用方面，需要开展各种损伤和功能障碍与人体运动参数间的关系的研究，特别是定量的分析，以便给临床医师更多的指导。
现在，我们正在迎来科技更加发达的21世纪，康复工程也将随着社会的需求进一步发展。可以预料，社会人口的老龄化和人们对生活质量要求的提高将是康复工程发展的又一个机遇。从需求方面来说，满足老龄人口需求的设施将成为社会关注的新热点。老年病患者病后的康复、老龄人口生活的自立、老年人精神生活的满足等，向康复工程提出了一系列要求。在康复工程的科技水平上，今后也必然有新的提高。人工智能、纳米技术、生物材料、组织工程、基因工程以及对人体自身功能的进一步认识，都会给康复工程注入新的活力。
, http://www.100md.com
康复工程将为人类自身的幸福作出新的贡献!
作者简介 金德闻(1938-)，女，教授，中国康复医学会康复医学工程专业委员会主任委员。研究方向：人体假肢工程学。
参考文献
[1]CW Radcliffe.Four- bar linkage prosthetic knee mechanisms:kine matics, alignment and prescription criteria[J]. Prosthetics and Orthotics International,1994, 18:159～ 173
[2]Ruihong Zhang, Linhong Ji, Dewen Jin, et al. A study on six- bar linkage knee prosthesis[J]. J Biomedical Engineering, 1999,8(3):5～ 6
, http://www.100md.com
[3]Dong Yuzheng, Jin Dewen, Zhang Jichuan, et al.A study on the multi- rigid- body model for human walking in swing phase[J].Chinese J Biomedical Eng ,1995,4(3):152
[4]Akio Nakagawo, Ichiro Kitayama .Micro- computer controlled above knee intelligent prosthesis[R]. Proc 6th World Congress of ISPO,Kobe, Japan, 1989.71
[5]金德闻，王人成，白彩勤,等.电流变液智能下肢假肢摆动相控制原理和方法[J].清华大学学报，1998,38(1):40～43
[6]张瑞红，金德闻，张济川,等.不同路况下步态分析[C].全国第三届康复医学工程学会研讨会论文集，1999.122～ 125
, http://www.100md.com
[7]Joseph M,Czerniccki, Andrew Gitter .Joint moment and muscle power output characteristics of below knee amputees during running: the influence of energy storing prosthetic feet[J]. Bio- Mechanics, 1991, 24(1): 63～ 75
[8]D Jin， N Fergusson, W Kang,et al. dynamic element analysis of a prosthetic foot[R]. proc of the International Conference on Modern Design.Manufacturing and Measurement. Beijing,1993.178～ 181
[9]CHM,Boosfeld, Zhang Jichuan. Sensory feedback of the gripping force of an EMG controlled forearm prosthesis[R].Proc 6th World Congress of ISPO, Kobe, Japan, 1989. 137
, http://www.100md.com
[10]胡天培,王森章，刘国庆,等.再造指控制电子假手的电脑控制系统研究[J].中国生物医学工程学报，1997，16(2):142～146
[11]Christopher D, Manuel Hulliger, Robert G L, et al. quantitative analysis of human movement synergies: constructive pattern analysis for gait[J]. Journal of Motor Behavior, 1994,26(2): 83～ 102
[12]张明，麦福达.计算机辅助设计和应力分析模型[J].现代康复，2000，4(2)：192～193
[13]Dulley S Childress, Jeffrey, J Berkley.Determining soft tissue ma terial properties for the purpose of finite element modeling of the residual kLimb in transtibial amputation[R]. Rehabilitation R＆ D Progress Reports,1997,35:72
, 百拇医药
[14]Klasson B.Computer aided design, Computer aided manufacture and other computer aided in prosthesis and orthotics[J].Prothet Orthot Int,1985,9:3～ 11
[15]Torres- Moreno R.Computer aided design and manu facture of an above knee amputee socket[J].J Biomed Eng Jan,1991,13:3～ 9
[16]GLundborg, PL Branemark, B Rosen, et al. Ossceoin tegrated thumb prostheses: a concept for fixation of digit prosthetic devices [J]. Journal of Hand Surgery.1996,21:216～ 221
, http://www.100md.com
[17]Guidera KJ,Smith S, Raney E, et al. Use of the reciprocating gait orthosis in myelodysplasia[J].J Peditr Orthop， 1993,1:341～ 348
[18]Moshe Solomonow, E Reisin， et al.Medical evaluation of 70 para plegi-cs using a practical FES walking orthosis[R].Rehabilitation R＆ D Progress Reports, 1997,35:218
[19]Jichuan Zhang, Dewen Jin, WA Gruver, et al.Motor- actuated exo- skeletal walking mechanism[R]. Proc 7th World Congress of ISPO, Chicago, USA, 1992, 352～ 355
, 百拇医药
[20]项海筹，乌兰木齐，张济川.手动爬楼梯轮椅[J].中国康复医学杂志，1994,9(2):62～66,[21]黄英华.功能性电刺激治疗截瘫-20例报告[J].中国康复医学杂志，1989,4(5):29～30
[22]Jeseph Mizrahi, Leonid Livshitz, Pini Einziger. Dynamics of force. recruitment of the paralyzed muscle by FES[R].Rehabilitation R＆ D Progress Reports, 1997. 74
[23]Maurijio Ferrann, Guido Baroni, Giancarlo Ferrigno, et al.Applica tion of a 3- D real Time motion analysis technique for the develop ment of closed- loop control system for FES[R].Rehabilitation R＆ D Progress Reports, 1997.72
, http://www.100md.com
[24]王磊，罗致诚.神经肌肉功能刺激的肌电闭环控制[J].中国康复医学杂志，1990,5(3):118～122
[25]Jolly CN, Spelman FA, Clopton BM.Quadrupolar stimulation for cochlear prosthesis: modeling and experimental data IEEE trans[J]. BME,1996, 43(8): 857～ 865
[26]曹克利，王直中，王开羡.16通道人工耳蜗植入装置的原理和研制[J].北京生物医学工程，1994，13(3)：140～143
[27]Suzuki M, Saito M, Ji LH, et al.An eye gaze interface using a Laser pointer for an assistive manipulator[R]. Proc.ICBME 99, China,1999. 27～ 28
, http://www.100md.com
[28]Cheng Ming, Gao Shangkai.An EEG- based cursor control system[R]. the first joint meeting of BMES and EMBS, 1999 annual fall meeting of the biomedical engineering society, 21th annual fall international conference of the IEEE engineering in medicine and biology society. Hyatt Regency Atlanta, USA, 1999.13～ 16,[29]Preising B, Hsia TC, Mittelastadt B. A literature review: robots in medicine[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology, 1991,10(2), 13～ 22
[30]Michiel Van der Loos.HF, VA /Stanford.Rehabilitation robotics research and development program: Lessons learned in the application of Robotics, technology to the field of rehabilitation[J].IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 1991,3(1):46～ 55
[31]Jod A, Delidsa. Gait analysis in the science of rehabilitation[M]. published by Department of Veterans Affairs Veterans Health Administration, USA,1998
(收稿：2000-03-01), 百拇医药