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人工智能融合康复医学
 
更新日期:2020-01-06   来源:体育文化导刊   浏览次数:329   在线投稿
 
 

核心提示:1.医工融合中的人机交互控制移动性外骨骼是以康复医学理论、临床康复经验和工程学为基础对外骨骼的结构和训练模式而设计,以修复或者代偿受损的肌肉和

 
1.“医工融合”中的人机交互控制
移动性外骨骼是以康复医学理论、临床康复经验和工程学为基础对外骨骼的结构和训练模式而设计,以修复或者代偿受损的肌肉和神经组织为目的,从而使患者最终从“结构康复”过渡到“功能康复”。人机交互技术作为外骨骼设计的重点与难点,从早期的轨迹跟踪控制方法转变为如今的力/位混合控制方法,这种计算机控制方法加上EEG可以实现人和计算机的交互统一,既能准确判断出患者运动意图,又能实现患者与环境两者之间的交互。这种力/位阻抗控制方法主要关注的是外骨骼的主动柔顺性,智能调控运动强度和人机作用力,以增强日常工作能力,减轻患者负担,避免患者重复受伤机制。研究已经表明,早期主动参与的康复训练会缩短康复周期,而人机作用力在一定程度上可以反应患者的主动参与程度。目前,为了提高患者的治愈效果,VR技术和功能电刺激技术也逐渐被运用到康复机器人之中,如研究员Colombo等就实现了人机协同步态训练。
“医工融合”中的人机交互根据机体和外骨骼分配的不同角色分为两种模式,控制模式和学习模式。控制模式是指机体为主导,机体可以根据自身活动能力的程度对外骨骼的运动和训练模式进行按需操作,如Rossi等研究表明,机体在自适应条件下,可以很快掌控外骨骼的运动方式,为了减少机体负担,Ranatunga认为可以通过强化机体学习的方法,尽可能地减少机体能量耗散和临床康复误差,同时,在步态控制上,Gao认为智能调整膝关节阻抗参数可以达到步态平衡的目的;协作模式是指机体和外骨骼“合二为一”,共同完成训练任务或者日常生活,在训练初期外骨骼扮演的角色就是引导机体慢慢适应正常步态,减少机体不适症状的出现,随着机体神经和肌肉的恢复程度,外骨骼的干预逐渐下降,机体的主动参与增强,达到康复训练的目的,但是这种模式很容易出现外骨骼辅助过多,患者出现过度依赖的情况,因此在实际运用过程中应当遵循按需辅助的原则,即患者不能完全依靠外骨骼地帮助,应该重视到自身的参与,达到主动康复的最大化。
2.外骨骼在康复训练中的应用
外骨骼通过人机交互统一的方式与机体协调完成各项运动,理论基础在于其结构的设计和训练模式与人体运动规律如出一辙。截瘫患者下肢运动受限,单腿正常自由度受到影响,各关节无法与周围软组织相互配合完成运动需求。因此,要恢复患者的下肢运动能力,在康复训练中首先要解决的就是增加受限关节的被动自由度使其回归到正常自由度。下肢单腿关节自由度分为二,三和七自由度,二关节自由度是指髋,膝各一个自由度;三自由度指髋关节两个自由度,膝关节一个自由度,或者髋、膝、踝各一个自由度;七自由度指髋、膝、踝各三个,一个和三个自由度,这些自由度可以满足机体在特定的轴绕特定的面完成关节各方向的运动或者改变其运动方向。Adam在研究中已经证明了关节自由度在康复训练中与关节力矩,运动角度和能量消耗的重要意义,它可以为移动式外骨骼的设计提供重要线索,如驱动装置的配备。
外骨骼设备给截瘫患者的康复带来了前所未遇的改变,为了适应患者和社会的不断发展,更加科学高端的外骨骼设备逐渐被科学家设计,如Xie认为康复训练应该是以人为主体,仪器为辅的一种模式,在训练过程中更应该关注患者的主动参与程度,而非依赖于仪器的智能辅助来提高患者的步行和平衡能力;同样Hammell在研究中也证明了这一研究成果。显而易见,在辅具研发中,我们应该以患者为中心设计出人性化、科学化的外骨骼设备。基于截瘫患者运动功能严重受限的情况,马青川等为截瘫患者设计了一个借用外骨骼设备的自身对照实验,结果表明其步长显著有所提高,而由于患者对辅具结构,概念等还不清晰,心理情绪紧张畏惧在所难免,其实验中的步速和步频有所下降。因此,我们可以认为外骨骼设备的使用可以提高患者的神经-肌肉激活速度和肌肉纤维募集能力,同时,可以在康复训练中起到扩展、代偿甚至提高患者运动能力的作用,最终使截瘫患者完成自身能力无法企及的日常活动,提高生活自理能力。
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