智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)

李葉

看點(diǎn) 大腦重建原理?個性化主動輔助?仿生、輕量、易穿戴、易轉(zhuǎn)運(yùn)

腦卒中患者及時有效康復(fù)介入可以極大提高康復(fù)效果，降低致殘率。丞輝威世下肢外骨骼機(jī)器人覆蓋康復(fù)全周期，首創(chuàng)腦卒中偏癱從臥位到步態(tài)訓(xùn)練及步態(tài)評估的完整智能化解決方案，幫助更多患者恢復(fù)行走。

丞輝威世智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)根據(jù)大腦重建原理，將任務(wù)導(dǎo)向練習(xí)和智能康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練結(jié)合，幫助患者協(xié)同完成 有控制性的運(yùn)動功能訓(xùn)練（臥位訓(xùn)練、坐站訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練及步態(tài)訓(xùn)練），通過重復(fù)的強(qiáng)化訓(xùn)練，從而促進(jìn)大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能重建。

基于人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)意圖偵測，基于機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)個性化主動輔助;適用多種康復(fù)場景，云端數(shù)據(jù)平臺加持，使康復(fù)輔助更智能科學(xué);產(chǎn)品仿生、輕量、易穿戴、易轉(zhuǎn)運(yùn)。針對于腦卒中等導(dǎo)致下肢運(yùn)動功能障礙的患者 進(jìn)行坐站轉(zhuǎn)移、站位平衡及步態(tài)訓(xùn)練。通過坐站、行走訓(xùn)練，恢復(fù)身體機(jī)能，達(dá)到步行功能康復(fù)效果，幫助患者回歸日常生活和工作。

深圳市丞輝威世智能科技有限公司是一家依托自身優(yōu)秀團(tuán)隊和合作伙伴在康復(fù)醫(yī)療、人工智能等領(lǐng)域擁有雄厚技術(shù)實(shí)力，專業(yè)從事康復(fù)機(jī)器人、助力機(jī)器人和相關(guān)高科技產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的國家高新企業(yè)。公司研發(fā)的智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)包含兩款產(chǎn)品，其中的步態(tài)下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人獲得了本年度德國紅點(diǎn)獎，臥式外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人獲得了本年度的金蘆葦獎。

《設(shè)計》?梁余意

深圳市丞輝威世智能科技有限公司?智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)設(shè)計師，產(chǎn)品經(jīng)理

《設(shè)計》：產(chǎn)品前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)了市場、產(chǎn)品和用戶的哪些痛點(diǎn)？得出怎樣的結(jié)論？

梁余意：我們在前期走訪醫(yī)院的過程中，發(fā)現(xiàn)腦卒中患者在醫(yī)院現(xiàn)有的康復(fù)環(huán)節(jié)中的早期階段，康復(fù)設(shè)備的使用是缺失的，主要的康復(fù)效果還是來自康復(fù)師的手法的治療，但是我國康復(fù)師的缺口很大，并且一天下來康復(fù)師需要為8～10位以上的患者進(jìn)行手法治療，對于康復(fù)師而言工作強(qiáng)度非常強(qiáng)。對于患者而言，在腦卒中早期的臥床階段，由于神經(jīng)回路被阻斷，患側(cè)肢體由于無法運(yùn)動開始肌肉萎縮和痙攣，這也是常見到腦卒中患者患側(cè)的下肢比健側(cè)下肢更為瘦弱的原因，而康復(fù)訓(xùn)練越是早期介入，患者預(yù)后的效果越好。

目前臨床針對腦卒中康復(fù)早期患者的常用設(shè)備是CPM，這類產(chǎn)品早先主要用于骨科術(shù)后等導(dǎo)致的關(guān)節(jié)腫脹、關(guān)節(jié)僵硬和靜脈栓塞等患者的關(guān)節(jié)運(yùn)動鍛煉。腦卒中在患者臥床階段用該設(shè)備僅可以進(jìn)行屈伸運(yùn)動的訓(xùn)練，但CPM只有被動模式，且速度較低，對腦卒中患者伴隨的髖外旋、膝過伸、足內(nèi)翻、足下垂等缺乏矯正措施。對腦卒中患者在運(yùn)動過程中誘發(fā)的痙攣缺乏監(jiān)測和處理措施。

對于患者而言，每天做的標(biāo)準(zhǔn)康復(fù)動作次數(shù)越多、時間越長，對應(yīng)的康復(fù)效果就越好。而且腦卒中患者對于越是遠(yuǎn)端的肢體，控制能力越差，需要的康復(fù)訓(xùn)練也相應(yīng)越多，但是傳統(tǒng)的康復(fù)方式以及設(shè)備對于遠(yuǎn)端肢體的康復(fù)關(guān)注十分有限。

我們在研發(fā)臥式智能下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的過程中，考慮到了很多臨床上的特殊情況，例如，我們產(chǎn)品的關(guān)節(jié)設(shè)置是仿生人體的設(shè)計，分別對應(yīng)了人體的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，在患者使用設(shè)備做訓(xùn)練的過程中就會與自身的運(yùn)動方式更接近;再比如，我們在踝關(guān)節(jié)的支具設(shè)計上采用了具有彈性型變能力的材料，以及增加了足底支撐點(diǎn)的自由度，讓患者在使用設(shè)備時，足踝可以實(shí)現(xiàn)在一定程度上跖屈和背屈，還將足拖設(shè)計為半掌的形式，這一系列設(shè)計的目的都是為了讓患者在使用設(shè)備訓(xùn)練時能夠增強(qiáng)遠(yuǎn)端肢體的本體感覺，提升主動康復(fù)的意識;再比如，一些年紀(jì)較大的腦卒中患者為了防止褥瘡和壓瘡，會睡氣墊床，我們也是考慮到這種場景不同的情況，為設(shè)備配備了導(dǎo)軌等附件，幫助醫(yī)患在不同的場景和環(huán)境中使用。

《設(shè)計》：請介紹下產(chǎn)品中所采用的專利設(shè)計、技術(shù)，及產(chǎn)品的主創(chuàng)設(shè)計團(tuán)隊。

梁余意：我們主創(chuàng)設(shè)計團(tuán)隊由清華大學(xué)、哈工大、華中科技、華南理工等知名院校的成員組成，從事機(jī)器人和醫(yī)療相關(guān)行業(yè)5～15年，有著深厚的技術(shù)積累，目前已經(jīng)申報的各類專利170余項，設(shè)計團(tuán)隊在人機(jī)工程、外觀設(shè)計、材質(zhì)搭配等都有很強(qiáng)的專業(yè)能力。

比如，在臥式下肢康復(fù)外骨骼產(chǎn)品中，我們采用了人機(jī)交互的設(shè)計理念，對患者的肌張力進(jìn)行實(shí)時偵測，一旦患者出現(xiàn)由于肌張力過高而引發(fā)的肌肉痙攣，設(shè)備會立即進(jìn)行相應(yīng)處置。我們在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中嵌入了高精度的力矩傳感器，對患者當(dāng)前出力的大小進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)患者出現(xiàn)痙攣現(xiàn)象，力矩傳感器監(jiān)測到的數(shù)值就會出現(xiàn)明顯的異常，此時設(shè)備會先停止運(yùn)動，再慢慢放平患者下肢，有效避免因?yàn)槌掷m(xù)運(yùn)動導(dǎo)致痙攣加劇給患者帶來不適。

在步態(tài)外骨骼產(chǎn)品中，我們使用了先進(jìn)的傳感器運(yùn)動意圖識別技術(shù)。腦卒中患者是偏癱病癥，也就是一邊身體是正常的，另一邊身體不受中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制，我們根據(jù)這種病態(tài)特征，在患者的患側(cè)和健側(cè)同時布置了姿態(tài)傳感器，通過監(jiān)測患者健側(cè)的運(yùn)動信息，偵測患側(cè)的運(yùn)動意圖，同時采用健側(cè)的信息矯正患側(cè)的輔助參數(shù)設(shè)置，達(dá)到患側(cè)與健側(cè)的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動。

總體來講，兩款產(chǎn)品采用了人機(jī)工程學(xué)、仿生學(xué)、機(jī)械設(shè)計、傳感器融合算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)。

《設(shè)計》：醫(yī)療器械相關(guān)的設(shè)計有哪些特殊之處？對設(shè)計師的素質(zhì)、材料等方面有哪些具體的要求？

梁余意：醫(yī)療器械產(chǎn)品設(shè)計的難點(diǎn)在于醫(yī)療類產(chǎn)品目前還是功能大于美觀，這也是和消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計的主要差異點(diǎn)，而且消費(fèi)類電子的技術(shù)相對成熟，我們的產(chǎn)品在市面上沒有太多可以參考的對象。從0到1的過程是需要辛勤付出的，且在從無到有研發(fā)產(chǎn)品時，我們需要通過前期的概念圖、手繪圖、效果圖、樣機(jī)等方式去和用戶溝通我們產(chǎn)品的理念、技術(shù)方式和大致的穿戴形式，才能在產(chǎn)品研發(fā)早期就得到用戶及客戶相對直觀的反饋。設(shè)計師需要在前期就用具象的方式給團(tuán)隊一個參考的方向，這樣不同職能的工程師才可以有方向性的指導(dǎo)。另外，產(chǎn)品設(shè)計時，人機(jī)工程、操作流程、產(chǎn)品形式等幾個方面都是在設(shè)計之初就要預(yù)埋進(jìn)去的，這些方式往往會決定最終的產(chǎn)品形態(tài)。

智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)目前所包含的兩款產(chǎn)品均屬于可穿戴設(shè)備，這要求設(shè)計師自身對人機(jī)工程學(xué)研究得很透，才能設(shè)計出穿戴舒適、外觀優(yōu)美、盡可能適應(yīng)更多人群的設(shè)備，因?yàn)樵卺t(yī)院的使用場景下，越是操作簡單的產(chǎn)品，越是能夠幫助醫(yī)生減輕工作負(fù)擔(dān)。這兩款康復(fù)機(jī)器人是針對腦卒中患者研發(fā)的，腦卒中患者往往會伴有糖尿病等既往病史，糖尿病患者的皮膚損傷后愈合的時間會更長，同時患者的患側(cè)肢體敏感度低，存在有摩擦但是患者感受不到的情況，這就要求設(shè)計師在設(shè)計與人體接觸的部分時能夠充分考慮到相關(guān)情況，設(shè)計出盡可能適應(yīng)大多數(shù)人的可穿戴設(shè)備。在材料選擇上，我們要求產(chǎn)品的用材符合醫(yī)療行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時滿足舒適性、耐用性的要求。

《設(shè)計》：醫(yī)用外骨骼設(shè)備的設(shè)計有哪些特點(diǎn)？本產(chǎn)品的設(shè)計難點(diǎn)有哪些？該產(chǎn)品的市場前景如何？未來是否還會繼續(xù)迭代？

梁余意：相對于軍用和工業(yè)用的外骨骼機(jī)器人來說，丞輝威世智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)是針對腦卒中患者下肢康復(fù)機(jī)器人，這三者的設(shè)計上有著本質(zhì)的區(qū)別。軍用外骨骼機(jī)器人更偏向輕便，適用于奔跑、負(fù)重的場景;工業(yè)外骨骼機(jī)器人會偏向于幫助工人完成特定的生產(chǎn)動作;丞輝威世智能下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人則是針對腦卒中患者下肢康復(fù)使用的醫(yī)療設(shè)備，例如臥式這款產(chǎn)品是給早期臥床階段的患者使用的，我們針對臥床這個階段設(shè)定了不同的康復(fù)訓(xùn)練模式：被動模式、助動模式、主動模式和橋式訓(xùn)練模式，四種模式的難度和目的不同，配合語音的提示幫助患者進(jìn)行主動訓(xùn)練，橋式訓(xùn)練可以幫助提升患者腰部和下肢的協(xié)調(diào)性，能夠在患者下地進(jìn)行行走訓(xùn)練前提前將協(xié)調(diào)性和平衡能力提升，這樣能加速患者的康復(fù)進(jìn)程。步態(tài)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人這款產(chǎn)品則是針對患者開始行走訓(xùn)練時使用的設(shè)備，設(shè)備內(nèi)置的算法會根據(jù)患者的步態(tài)去幫助患者完成行走過程中屈膝和伸膝的動作，產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計也會防止患者的膝過伸和髖外旋的情況，同樣的，這款產(chǎn)品也設(shè)定了坐站模式、平衡模式、跨步模式、行走模式等幾大模式，覆蓋患者生活中要面對的不同場景，同時也是對應(yīng)著患者步態(tài)訓(xùn)練這個過程中的不同階段，例如坐站訓(xùn)練和平衡訓(xùn)練就是患者剛剛開始下地康復(fù)訓(xùn)練時所需要提升的控制力和平衡力的訓(xùn)練。

綜合來說，丞輝威世智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)是定向針對腦卒中患者的下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，主要的功能點(diǎn)也是根據(jù)腦卒中患者的特征和常見步態(tài)去設(shè)計的，是滿足臨床患者康復(fù)全流程的康復(fù)設(shè)備，是幫助患者提升康復(fù)效率，縮短康復(fù)進(jìn)程，幫助醫(yī)生減輕工作壓力的產(chǎn)品。相對于歐美國家而言，我國康復(fù)行業(yè)的發(fā)展還略顯滯后，目前國家也在逐步推進(jìn)康復(fù)研究和市場進(jìn)步，也包括政策上的支持。隨著時代和技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療康復(fù)外骨骼后續(xù)也會朝著小型化、輕量化、柔性化的方向發(fā)展和迭代。

《設(shè)計》：外骨骼產(chǎn)品的應(yīng)用場景日益寬泛且常見，丞輝威世設(shè)計團(tuán)隊未來還將開發(fā)此類產(chǎn)品在哪些方面的應(yīng)用？

梁余意：丞輝威世外骨骼著眼于腦卒中偏癱患者，從術(shù)后早期臥床期間介入，幫助患者進(jìn)行臥床階段的康復(fù)訓(xùn)練。通過下肢被動運(yùn)動、主動運(yùn)動、抗阻運(yùn)動、橋式訓(xùn)練等模式實(shí)現(xiàn)下肢肌力的提升，同時避免患者長期臥床形成壓瘡、關(guān)節(jié)脫臼、髖外旋等不良病態(tài)。待患者離床后可以使用步態(tài)康復(fù)外骨骼，進(jìn)行坐站、平衡、行走功能訓(xùn)練。兩款產(chǎn)品形成一個完整康復(fù)訓(xùn)練的閉環(huán)模式，幫助患者縮短康復(fù)周期，提升康復(fù)效果。

但外骨骼的作用不僅如此，可以應(yīng)用的疾病范圍很廣，以臥式下肢外骨骼為例，還可以應(yīng)用于有攣縮病癥患者，小腿靜脈血栓預(yù)防功能，骨科關(guān)節(jié)松動康復(fù)訓(xùn)練，下肢肌無力患者康復(fù)訓(xùn)練，步態(tài)產(chǎn)品還可用于非腦卒中的平衡功能訓(xùn)練等多方面病癥。

未來，我們還會開發(fā)個人版的外骨骼產(chǎn)品，如幫助失能、弱能人士，通過穿戴我們開發(fā)的助力外骨骼產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)日常生活的自理。同時還會開發(fā)適用于老年人的輕量化產(chǎn)品，幫助那些站不起、走不遠(yuǎn)、走不動的老人站起來，走得更遠(yuǎn)、更輕松。

《設(shè)計》：智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)是在怎樣的契機(jī)下參評的金蘆葦獎？獲獎給產(chǎn)品及企業(yè)帶來怎樣的影響？

梁余意：丞輝威世的智能下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)目前有兩款已經(jīng)面世的產(chǎn)品，其中步態(tài)下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人參評了2021的德國紅點(diǎn)獎并獲得了醫(yī)療與健康組的紅點(diǎn)獎，對于產(chǎn)品本身而言，我們的團(tuán)隊非常有信心。我們用三年的時間打磨了這兩款產(chǎn)品，并且和中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院等幾大行業(yè)翹首緊密合作，相信我們產(chǎn)品在功能定義、人機(jī)工程設(shè)計、操作流程設(shè)計、外觀設(shè)計等方面都足夠優(yōu)秀，也正是如此，我們報名參評了今年的金蘆葦獎。評審團(tuán)強(qiáng)大的陣容和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u審態(tài)度，讓獲獎的我們倍感榮幸，同時也倍增作為企業(yè)的社會責(zé)任感。在未來的產(chǎn)品研發(fā)過程中，將繼續(xù)秉持以人為本、尊重設(shè)計、尊重技術(shù)的原則去迭代和創(chuàng)新我們的產(chǎn)品。獲得金蘆葦獎對于我們的研發(fā)團(tuán)隊是極大的鼓舞，是對我們過去三年努力付出的肯定，也是對我們產(chǎn)品設(shè)計的認(rèn)可。每一點(diǎn)肯定都會轉(zhuǎn)化成為我們繼續(xù)前進(jìn)的動力，繼續(xù)為做出更加實(shí)用、更具人文關(guān)懷屬性、外觀更加優(yōu)美舒適的產(chǎn)品而努力。