人工智能在康復(fù)輔助技術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展與趨勢(shì)

張洪峰， 焦永亮， 李博， 徐桂勇， 劉瑋佳

(煙臺(tái)市殘疾人事務(wù)綜合服務(wù)中心， 煙臺(tái) 264000)

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)家對(duì)殘障群體都給予了支持、關(guān)懷、鼓勵(lì)和幫助。如今，殘障群體的生活質(zhì)量不斷提高，他們對(duì)輔具的需要日益增多，為這些特殊群體提供康復(fù)輔助服務(wù)、康復(fù)輔助技術(shù)具有良好社會(huì)意義。

康復(fù)輔助技術(shù)是指為改善功能障礙者狀況而設(shè)計(jì)和利用的裝置、服務(wù)、策略和訓(xùn)練[1]。其中輔助裝置是輔助技術(shù)在醫(yī)工結(jié)合條件下設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的具體產(chǎn)品，能夠幫助殘障群體改善人體功能缺失，設(shè)法彌補(bǔ)人體各方面功能。在《殘疾人輔助器具分類和術(shù)語(yǔ)》中，殘疾人輔助器具(下稱“輔具”)被描述如下：“由殘疾人使用的，特殊生產(chǎn)的或通?？色@得的用于預(yù)防、代償、監(jiān)測(cè)、緩解或降低殘疾的任何產(chǎn)品、器具、設(shè)備或技術(shù)系統(tǒng)”[2]。

自1970年美國(guó)人Jim Reswick提出康復(fù)工程開(kāi)始，康復(fù)輔助技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了50年的發(fā)展歷程。在社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的過(guò)程中，康復(fù)輔助從假肢安裝、矯形器安裝等簡(jiǎn)單技術(shù)，逐漸發(fā)展為包括假肢學(xué)、矯形學(xué)在內(nèi)的交叉學(xué)科，其中還涉及感觀康復(fù)、神經(jīng)系統(tǒng)康復(fù)、環(huán)境控制系統(tǒng)、康復(fù)護(hù)理技術(shù)與設(shè)備、無(wú)障礙環(huán)境改造，以及功能評(píng)定與檢測(cè)和康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備、生物信息技術(shù)與應(yīng)用等許多滿足康復(fù)需要的技術(shù)內(nèi)容[1,3]。從人體功能角度看，輔助技術(shù)一般具備運(yùn)動(dòng)、視聽(tīng)、呼吸、吞咽、交流等機(jī)能及心理健康、日常生活活動(dòng)能力等多項(xiàng)功能的輔助作用。目前，各類康復(fù)輔助設(shè)備如助聽(tīng)器或人工耳蝸已經(jīng)能夠有效提高患者的語(yǔ)音識(shí)別率、空間定位能力、聲調(diào)識(shí)別能力及音樂(lè)和情感感知能力[4]；可穿戴步態(tài)輔助技術(shù)可以對(duì)老年及腿部殘疾群體實(shí)行防摔倒保護(hù)[5]；各類機(jī)械手臂能夠?yàn)樯现珰埲被颊咛峁┍憷鸞6]；周圍神經(jīng)人機(jī)接口也受到了越來(lái)越多的醫(yī)師及科研工作者重視[7]。

近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)和人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，智能化延伸到各個(gè)領(lǐng)域，包括機(jī)器人、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)言翻譯、自然語(yǔ)言處理、圖像識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)駕駛和專家系統(tǒng)等[8-10]。而智能康復(fù)實(shí)現(xiàn)了工程與醫(yī)學(xué)的緊密結(jié)合，并將多種學(xué)科諸如康復(fù)醫(yī)療、神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、心理學(xué)等進(jìn)行融合，使得工程技術(shù)在臨床上的應(yīng)用得到加強(qiáng)。在當(dāng)前技術(shù)背景下，智能康復(fù)機(jī)器人在輔助評(píng)估、輔助訓(xùn)練、輔助恢復(fù)等方面蘊(yùn)藏巨大潛力，且已經(jīng)在中風(fēng)、脊髓傷損、腦部創(chuàng)傷、截肢、慢性病痛等疾病的康復(fù)治療中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，充分驗(yàn)證了其臨床康復(fù)的有效性，具有十分顯著的醫(yī)療實(shí)用價(jià)值。可見(jiàn)，在人工智能不斷發(fā)展成熟的趨勢(shì)下，其在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用空間不斷擴(kuò)展，發(fā)展?jié)摿σ仓饾u凸顯[11-13]。另外，5G技術(shù)一步步發(fā)展完善，其高帶寬、低時(shí)延特性，助力智慧康復(fù)信息化建設(shè)，可充分保證信息高速高效交互，資源合理調(diào)度等。

綜上，現(xiàn)代康復(fù)器械和輔助器具已不僅僅是傳統(tǒng)概念上的拐杖、助行架、手動(dòng)輪椅等技術(shù)含量低的產(chǎn)品，而是包括顯微外科、新型生物材料、微電子技術(shù)、微型機(jī)械、神經(jīng)工程學(xué)等新技術(shù)的高科技、智能化的產(chǎn)品。為此，對(duì)康復(fù)輔助方面的關(guān)鍵技術(shù)以及人工智能、5G技術(shù)等在康復(fù)輔助上的應(yīng)用進(jìn)行研究分析，針對(duì)國(guó)內(nèi)康復(fù)輔助技術(shù)方面存在的問(wèn)題提出相應(yīng)的可行性的解決方案。

1 康復(fù)輔助設(shè)備

康復(fù)輔助設(shè)備一般具備殘疾輔助、功能恢復(fù)治療、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等能力，以下將從康復(fù)機(jī)器人、可穿戴康復(fù)輔助設(shè)備、神經(jīng)康復(fù)與人機(jī)接口三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行總結(jié)討論。

1.1 康復(fù)輔助機(jī)器人

康復(fù)機(jī)器人屬于醫(yī)療與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的高端康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)品，能夠幫助殘疾患者重新獲得運(yùn)動(dòng)功能，適用于肌肉損傷和骨科疾病甚至腦卒中、腦部損傷、神經(jīng)性損傷等引發(fā)的上、下肢運(yùn)動(dòng)功能缺失。代表性的上肢康復(fù)產(chǎn)品包括：麻省理工學(xué)院的MIT-Manus機(jī)器人、蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的ARMin機(jī)器人、意大利的TechnoBody上肢康復(fù)機(jī)器人以及瑞士Hocoma公司開(kāi)發(fā)的Armeo Power系列康復(fù)機(jī)器人等[14-16]；下肢康復(fù)設(shè)備一般分為牽引式和懸掛式兩種，牽引式下肢康復(fù)機(jī)器人如德茲技術(shù)大學(xué)的Physiotherabot[17]、瑞士Swortec公司的MotionMaker[18]，可以實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，也能夠完成多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的訓(xùn)練，同時(shí)配備多種主動(dòng)或被動(dòng)形式的康復(fù)訓(xùn)練策略；懸掛式下肢康復(fù)輔助設(shè)備可以利用維系于患者腰部和胸部的挽具，以及系掛挽具和頭頂上方支架的繩具，實(shí)現(xiàn)對(duì)身體軀干的支撐提拉，使得使用者可以保持直立行動(dòng)的姿態(tài)。最具代表性的是由瑞士蘇黎世大學(xué)醫(yī)學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、蘇黎世大學(xué)、Hocoma公司和德國(guó)Woodway公司聯(lián)合研發(fā)并由Hocoma公司商業(yè)化的Lokomat[19]，其他產(chǎn)品還包括德國(guó)的LokoHelp[20]、美國(guó)的Robomedica[21]。圖1展示了部分產(chǎn)品的使用場(chǎng)景。

圖1 康復(fù)輔助機(jī)器人使用場(chǎng)景Fig.1 Using scenarios of rehabilitation assisted robots

上述部分產(chǎn)品已形成一定的市場(chǎng)規(guī)模，為患者提供了幫助，但是多數(shù)設(shè)備仍存在人機(jī)適應(yīng)上的缺陷以及造價(jià)昂貴等問(wèn)題。另外，與國(guó)際產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度相比，中國(guó)的康復(fù)機(jī)器人發(fā)展較為緩慢，處于起步階段，技術(shù)不夠先進(jìn)，產(chǎn)品不成熟。

1.2 可穿戴康復(fù)輔助設(shè)備

在各類可穿戴輔具中，人工耳蝸是世界上最成功的感知假體，為全球80多萬(wàn)人恢復(fù)了聽(tīng)力，并改善了大多數(shù)人的語(yǔ)音感知能力[22-24]。在中國(guó)，北京協(xié)和醫(yī)院于1979年研制出單通道人工耳蝸；1980年完成了國(guó)內(nèi)第一例人工耳蝸植入手術(shù)，1995年5月，完成國(guó)內(nèi)第一例多通道人工耳蝸的植入。隨著技術(shù)進(jìn)步，逐漸出現(xiàn)聲電聯(lián)合刺激人工耳蝸、機(jī)器人輔助人工耳蝸植入等，2012年北京協(xié)和醫(yī)院在中國(guó)首次植入聲電聯(lián)合刺激人工耳蝸，雙側(cè)人工耳蝸植入研究也位于中國(guó)前列[25]。助聽(tīng)器屬于聽(tīng)力障礙者常用的可穿戴輔助器具，現(xiàn)階段的助聽(tīng)器可以完全置入外耳道內(nèi)，可以深達(dá)第二彎曲，如starkey的soundlens系列，基本上達(dá)到了隱形的要求[26]。

穿戴式外骨骼機(jī)器人是近些年發(fā)展起來(lái)的康復(fù)器具，靈活性和空間拓展性是可穿戴的基本要求，這類器具對(duì)人體運(yùn)動(dòng)能力具有一定的延伸、補(bǔ)償甚至超越的功能。基于外骨骼的可穿戴上肢康復(fù)設(shè)備，采用科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)的康復(fù)訓(xùn)練，可以幫助患者的肢體運(yùn)動(dòng)功能快速恢復(fù)，目前已在醫(yī)療行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[27-29]。西安醫(yī)學(xué)院設(shè)計(jì)的一種可穿戴上肢康復(fù)設(shè)備[30]，其蝸輪蝸桿、齒輪機(jī)構(gòu)等部件可支持包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)在內(nèi)的多處關(guān)節(jié)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，且此可穿戴設(shè)備同時(shí)能固定到支架上或者座椅上。為輔助患肢進(jìn)的高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化康復(fù)訓(xùn)練，許祥等[31]研制了一種基于外骨骼原理的4自由度上肢康復(fù)機(jī)器人，此輔具方便穿戴，設(shè)備運(yùn)動(dòng)自由度和人體運(yùn)動(dòng)自由度同軸，能夠有效地對(duì)患肢前、后臂各部位進(jìn)行支撐、牽引，并且可以精確地施加牽引力于上肢各關(guān)節(jié)。在國(guó)外，最具代表性的可穿戴輔助機(jī)器人是哈佛大學(xué)Walsh團(tuán)隊(duì)的Soft Exosuit[32]，該產(chǎn)品利用到氣動(dòng)人工肌肉技術(shù)，對(duì)髖、膝、踝關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)輔助，所使用的氣源僅7.1 kg，相比于一般的剛性外骨骼重量要輕很多。另外用于Soft Exosuit的新型軟性外骨骼機(jī)器人，如圖2所示，有利于關(guān)節(jié)靈活運(yùn)動(dòng)，不受到外部結(jié)構(gòu)的限制，實(shí)現(xiàn)了更為自由靈活的人機(jī)交互。隨著康復(fù)輔助技術(shù)的發(fā)展，以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng) 和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，可穿戴醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備、康復(fù)監(jiān)測(cè)設(shè)備等將結(jié)合高精尖技術(shù)，將成為未來(lái)技術(shù)的重要發(fā)展的方向。

圖2 Soft Exosuits 外骨骼機(jī)器人[32]Fig.2 Soft Exosuits exoskeletons robot[32]

1.3 基于人機(jī)接口康復(fù)輔助技術(shù)

腦機(jī)接口(brain-computer interface, BCI)將人的大腦信號(hào)解碼為計(jì)算機(jī)設(shè)備可識(shí)別的指令，將人的神經(jīng)世界和外部物理世界連接起來(lái)。在神經(jīng)康復(fù)及輔助醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人機(jī)接口能夠?yàn)橹w運(yùn)動(dòng)障礙患者各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)能力的恢復(fù)提供技術(shù)途徑，同時(shí)在大腦損傷以及各類神經(jīng)系統(tǒng)疾病等患者的健康恢復(fù)或功能再造中也發(fā)揮著重要作用[33-34]。

然而，人體的神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使是完成一項(xiàng)簡(jiǎn)單的抓舉任務(wù)，神經(jīng)在控制肌肉收縮或放松的過(guò)程中都要經(jīng)歷復(fù)雜的神經(jīng)沖動(dòng)產(chǎn)生過(guò)程，相較而言大腦的結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)方式更為精妙，所以人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)對(duì)人類來(lái)說(shuō)注定是一項(xiàng)極為艱巨的挑戰(zhàn)。

歷史上，奧地利Graz大學(xué)應(yīng)用BCI技術(shù)，控制電信號(hào)刺激幫助手部活動(dòng)障礙病人完成抓杯、舉杯、倒水入口的連續(xù)動(dòng)作，是BCI應(yīng)用于康復(fù)助殘的里程碑事件[35]；天津大學(xué)周鵬等設(shè)計(jì)一種將腦機(jī)接口和功能性電刺激相結(jié)合的智能康復(fù)系統(tǒng)，可供癱瘓病人根據(jù)自己的運(yùn)動(dòng)意愿控制殘肢運(yùn)動(dòng)的。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能以95%以上正確率分析人的運(yùn)動(dòng)意圖，控制功能性電刺激儀完成預(yù)定的刺激任務(wù)，恢復(fù)手部抓握動(dòng)作[36]?！吧窆ひ惶?hào)”如圖3所示，是天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)于2014年研制的首臺(tái)可用于全肢體中風(fēng)康復(fù)的神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)在患者體外搭建了一條人工神經(jīng)，能夠解碼患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)意念，并依此利用電刺激技術(shù)，驅(qū)動(dòng)多級(jí)神經(jīng)肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。該系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的同時(shí)，可以促進(jìn)患者受損腦區(qū)功能恢復(fù)、完成體內(nèi)神經(jīng)通路的可塑性修復(fù)和重建[35]。

圖3 “神工一號(hào)”原理圖[35]Fig.3 Schematic diagram of Shengong No.1[35]

近年來(lái)，基于腦機(jī)接口技術(shù)的康復(fù)醫(yī)療事業(yè)深度發(fā)展。例如，Simeral等[37]利用無(wú)線發(fā)射器替換了以往大腦神經(jīng)信號(hào)傳遞所用電纜，實(shí)現(xiàn)一種針對(duì)四肢癱瘓患者使用的腦機(jī)無(wú)線皮質(zhì)內(nèi)接口。隨著人工智能的繁榮，結(jié)合智能算法的腦機(jī)接口技術(shù)[38]有望使基于人機(jī)接口康復(fù)輔助技術(shù)獲得更大的進(jìn)步。

目前基于人機(jī)接口的康復(fù)輔助技術(shù)仍然處于發(fā)展期，存在許多工作要做。但是，由于其所帶來(lái)的病體康復(fù)效果很大程度上滿足了患者需求，所以該技術(shù)必將是各國(guó)、各醫(yī)療技術(shù)單位等競(jìng)相發(fā)展的對(duì)象，具有十分廣闊的市場(chǎng)。

2 基于人工智能的康復(fù)輔助技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展日新月異，各類模型、成果不斷豐富，而基于人工智能的康復(fù)輔助技術(shù)的研究也隨之取得良好進(jìn)展。

2.1 智能輔具

智能輔具一般是在假肢、矯形器、輪椅、移動(dòng)輔具、家居與環(huán)境控制輔具等設(shè)備中引入智能化功能。從“十一五”國(guó)家科技主管部門確立了積極推動(dòng)智能輔具研發(fā)的重大科研目標(biāo)開(kāi)始，康復(fù)輔具的智能化進(jìn)程得到良好發(fā)展，部分項(xiàng)目已取得了一批高水平的科研成果。其中，智能假肢通常具有識(shí)別功能，可以根據(jù)步速、步幅、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)對(duì)關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行調(diào)整，這種自適應(yīng)性能對(duì)改善步態(tài)、降低體能消耗等方面有很大幫助。具有代表性的假肢智能控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其中微機(jī)模塊是主要的分析控制模塊[39]。

圖4 假肢關(guān)節(jié)微機(jī)控制系統(tǒng)Fig.4 Microcomputer control system of prosthetic joint

而目前關(guān)于人體姿態(tài)分析、軌跡跟蹤等的人工智能算法具備更高的識(shí)別分析能力，在人機(jī)的相互適應(yīng)上可以提供更優(yōu)的技術(shù)支持。Geng等[40]提出一種基于紅外圖像和深度學(xué)習(xí)的手勢(shì)識(shí)別算法，可用于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛的實(shí)時(shí)人體手勢(shì)檢測(cè)，平均檢測(cè)準(zhǔn)確率為86.2%。Bozorgi等[41]提出了一種基于二維激光掃描儀和三維相機(jī)數(shù)據(jù)集成的魯棒人體軌跡跟蹤方法，將基于深度學(xué)習(xí)的3D相機(jī)人體檢測(cè)映射到深度信息的點(diǎn)云上，構(gòu)建代表人體的3D包圍，并使用最先進(jìn)的二維激光檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精度提升。

輪椅是殘疾輔助工具中最為常見(jiàn)的一種，對(duì)其智能化改進(jìn)將給用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)感，為殘疾人生活提供更大的便利。重慶郵電大學(xué)蒲興成等[42]提出一種新的智能輪椅路徑規(guī)劃算法，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為行為協(xié)調(diào)控制器，將仲裁和命令融合機(jī)制相結(jié)合提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和控制精確度。長(zhǎng)春理工大學(xué)王淑坤等[43]設(shè)計(jì)了一種多功能智能輪椅，其仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)在行駛速度、承載能力、爬坡角度等方面符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且輪椅的環(huán)境感知模塊、人機(jī)交互模塊支持自主避障和語(yǔ)音控制等功能。

按功能來(lái)劃分智能輔具，其種類相對(duì)比較多，可以為患者提供定制化的服務(wù)，而正是由于這類輔具通常只針對(duì)與某種或者某幾種功能來(lái)設(shè)計(jì)，其智能化程度相對(duì)不高，自適應(yīng)能力往往欠缺。

2.2 腦電分析與康復(fù)治療

基于人工智能的康復(fù)技術(shù)，最引人關(guān)注的是智能腦電波分析或情感分析等相關(guān)方面的研究。對(duì)于一直以來(lái)給患者帶來(lái)嚴(yán)重影響且難以攻破的病癥，如阿爾茲海默癥、全身癱瘓、植物人或精神類疾病，相關(guān)的研究和進(jìn)展開(kāi)辟了一條極具前景的治療康復(fù)道路。國(guó)外方面，Sridhar等[44]提出的基于腦電和深度學(xué)習(xí)的腦認(rèn)知功能分類方法，被用來(lái)評(píng)估神經(jīng)退行性疾病。該研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)意象的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，采用了雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶(bidirectional long short term memory, BLSTM)網(wǎng)絡(luò)，以評(píng)估認(rèn)知功能并確定其與大腦信號(hào)特征的關(guān)系，并且使用了小波分析方法對(duì)誘發(fā)信號(hào)進(jìn)行分解，計(jì)算各成分頻帶的頻帶功率。該深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)在輕度認(rèn)知功能障礙(mild cognitive impairment, MCI)檢測(cè)方面優(yōu)于傳統(tǒng)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可有效辨認(rèn)知功能下降的腦電波。在實(shí)驗(yàn)中，作者同時(shí)還比較了不同的深度學(xué)習(xí)模型對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分類和預(yù)測(cè)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶(LSTM)模型，原始腦電信號(hào)預(yù)測(cè)腦卒中的準(zhǔn)確率為94.0%，F(xiàn)PR(6.0%)和FNR(5.7%)較低，對(duì)腦卒中的預(yù)測(cè)具有較高的置信度。由于保健技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的研究試圖提前預(yù)測(cè)和分析某些疾病。其中，中風(fēng)疾病的研究正在積極進(jìn)行中，特別是在人口老齡化的情況下，中風(fēng)是老年人的致命疾病，其復(fù)發(fā)率和死亡率都很高，需要持續(xù)的醫(yī)學(xué)觀察和監(jiān)測(cè)。Choi等[45]提出的基于深度學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)生物信號(hào)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，可用于老年人中風(fēng)或腦卒中等疾病的預(yù)測(cè)。該方法允許深度學(xué)習(xí)模型直接應(yīng)用于原始腦電圖數(shù)據(jù)，而無(wú)需使用腦電圖的頻率特性。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了非侵入性方法的可行性，與其他測(cè)量技術(shù)相比，這些發(fā)現(xiàn)有望顯著改善腦卒中早期檢測(cè)，降低成本提高舒適度，成為分析醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的先進(jìn)方法。隨著計(jì)算能力的提高，深度學(xué)習(xí)、人工智能將越來(lái)越多地用于臨床環(huán)境，包括某些神經(jīng)類疾病如癲癇等的改善診斷、預(yù)后和治療，最終能夠開(kāi)發(fā)出高度準(zhǔn)確和可靠的工具來(lái)幫助產(chǎn)生康復(fù)決策等[46]。

人工智能在康復(fù)治療、康復(fù)輔助、腦電分析方面的應(yīng)用正被國(guó)際醫(yī)療、衛(wèi)生、健康等機(jī)構(gòu)所關(guān)注，與之相關(guān)的項(xiàng)目也正在被更多地建立和更深入地研究。中國(guó)也極為重視人工智能、深度學(xué)習(xí)等在康復(fù)技術(shù)、腦電波分析方面的研究和應(yīng)用。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院郝峻巍等[47]提出腦卒中超早期功能重建單元的新模式，是卒中診療模式的重要探索。該模式充分利用人工智能技術(shù)，依靠腦機(jī)接口、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能重建訓(xùn)練，恢復(fù)患者各項(xiàng)功能和提高生活質(zhì)量。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院宋玨嫻等[48]的研究指出，以現(xiàn)代醫(yī)學(xué)為基礎(chǔ)，采用中西醫(yī)結(jié)合診療實(shí)踐數(shù)據(jù)庫(kù)和人工智能技術(shù)，有望為腦卒中提供新的診療決策系統(tǒng)。胡景釗等[49]提出的基于鏡像神經(jīng)元理論的便攜式MI-VR BCI康復(fù)系統(tǒng)，采用基于腦電(electroencephalogram, EEG)的腦機(jī)接口(BCI)技術(shù)檢測(cè)患者運(yùn)動(dòng)想象程度，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality, VR)技術(shù)展示患肢運(yùn)動(dòng)，能幫助患者更好地想象、觀察患肢運(yùn)動(dòng)，其試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)具有可行性。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)腦電分析的康復(fù)治療關(guān)注度較高，并且都取得了一定進(jìn)展，但該方面的研究尚處于初級(jí)階段，具有廣闊前景也面臨巨大挑戰(zhàn)。

3 康復(fù)輔助技術(shù)的5G拓展

3.1 5G改變傳統(tǒng)康復(fù)模式

針對(duì)靈活多樣的物聯(lián)網(wǎng)需求，5G國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以O(shè)FDMA(orthogonal frequency division multiple access，正交頻分多址)和MIMO(multiple input multiple output，多入多出)為技術(shù)基礎(chǔ)，采用了新穎靈活的系統(tǒng)架構(gòu)，可支持多類應(yīng)用場(chǎng)景。其中，在頻段選擇上，由于上一代通訊技術(shù)所支持的中低頻資源有限，5G則增加了高頻頻段的應(yīng)用，可同時(shí)支持中低頻以及高頻頻段。因此，5G技術(shù)形成了針對(duì)中低頻和高頻設(shè)計(jì)的統(tǒng)一的理念方案，可支持百兆的基礎(chǔ)帶寬，同時(shí)滿足覆蓋需求和容量需求，并能在熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)容量提升[50-51]。高速率的傳輸以及更廣域的覆蓋是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所追求的目標(biāo)，5G技術(shù)中LDPC(low density parity check code，低密度奇偶校驗(yàn)碼)和Polar新型信道編碼理論得到了應(yīng)用，具備更強(qiáng)大性能的大規(guī)模天線技術(shù)也得到采用，而短幀、快速反饋、多層、多站數(shù)據(jù)重傳等技術(shù)的引進(jìn)，又賦予了第五代通信技術(shù)低時(shí)延、高可靠的性能[51-52]?？偟膩?lái)說(shuō)，5G技術(shù)具有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵特性：①峰值速率可達(dá)10～20 Gbit/s，對(duì)于大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸如高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等有很大優(yōu)勢(shì)；②接口時(shí)延可低至1 ms，為像自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療這類實(shí)時(shí)性要求高的項(xiàng)目提供了技術(shù)支持；③設(shè)備連接能力超高，物聯(lián)網(wǎng)通信支持百萬(wàn)連接每平方千米的密度；④支持連續(xù)廣域和高速移動(dòng)下的信息傳播。

受醫(yī)療資源分布及患者就醫(yī)觀念等的影響，三級(jí)醫(yī)院往往負(fù)荷過(guò)重、康復(fù)體驗(yàn)差，許多優(yōu)良康復(fù)資源被嚴(yán)重浪費(fèi)；另一方面，優(yōu)質(zhì)醫(yī)生多集中于大中城市的高級(jí)別醫(yī)院，造成地方醫(yī)師水平跟不上整體醫(yī)療水平。由于地域限制，在分級(jí)制度推進(jìn)建設(shè)的過(guò)程中，各康復(fù)機(jī)構(gòu)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高效快捷的信息共享，對(duì)于這一問(wèn)題除了有康復(fù)技術(shù)與體制制約，落后的康復(fù)通信手段也成為了康復(fù)資源合理利用的阻力。相較于傳統(tǒng)遠(yuǎn)程康復(fù)手段，5G擁有高帶寬、低時(shí)延特性，在通訊技術(shù)、信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)不斷滲入融合到智慧遠(yuǎn)程康復(fù)事業(yè)的過(guò)程中，可起到高效推進(jìn)作用。在提高地方醫(yī)療水平、合理分配醫(yī)療康復(fù)資源、提高康復(fù)資源利用率和康復(fù)服務(wù)整體效率、加深地域互通和機(jī)構(gòu)就診信息共享程度、推動(dòng)康復(fù)資源縱向流動(dòng)等的問(wèn)題上，5G通信技術(shù)可提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐。其中以5G技術(shù)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程培訓(xùn)、遠(yuǎn)程會(huì)診、遠(yuǎn)程手術(shù)等服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)二、三級(jí)醫(yī)院和地方康復(fù)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的技術(shù)分享，對(duì)整體醫(yī)療水平的提高有較為深刻的意義；發(fā)展5G遠(yuǎn)程康復(fù)輔助模式，使得分級(jí)制度下的康復(fù)資源得到充分發(fā)揮，能夠打破康復(fù)服務(wù)在時(shí)空范圍上的限制，促進(jìn)康復(fù)輔助資源線上流動(dòng)；在患者的診斷、監(jiān)護(hù)、治療等諸多方面，為基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)、地方康復(fù)部門等提供多項(xiàng)信息化的遠(yuǎn)程輔助服務(wù)，進(jìn)而彌補(bǔ)地方醫(yī)院在診療技術(shù)、醫(yī)療水平方面的欠缺，同時(shí)降低康復(fù)支出，使得一部分患者在享受優(yōu)質(zhì)診療服務(wù)的同時(shí)承擔(dān)較少的經(jīng)濟(jì)壓力。概括來(lái)講，5G通信技術(shù)使康復(fù)診療資源非平均分布問(wèn)題在很大程度上得到緩解，其資源開(kāi)放以及健康康復(fù)服務(wù)創(chuàng)新理念，對(duì)平衡大中城市與地方康復(fù)機(jī)構(gòu)的資源供給、彌補(bǔ)基層康復(fù)輔助能力的不足和提高康復(fù)普惠水平等諸多方面有深遠(yuǎn)影響和重要意義。

另一方面，移動(dòng)邊緣計(jì)算(mobile edge computing, MEC)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G低延遲和提升帶寬速率等的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)MEC為應(yīng)用程序和服務(wù)提升了邊緣網(wǎng)絡(luò)的效能，包括提供第三方的應(yīng)用程序和服務(wù)，使得通信網(wǎng)絡(luò)可以巧妙的轉(zhuǎn)變成為康復(fù)輔助行業(yè)和殘疾人群體的多功能服務(wù)平臺(tái)[53-56](圖5)。MEC技術(shù)可以為康復(fù)機(jī)構(gòu)內(nèi)部、機(jī)構(gòu)之間的互動(dòng)，提供高性能、定制化、差異化的無(wú)線通信服務(wù)。對(duì)于規(guī)模較小的康復(fù)機(jī)構(gòu)或單院區(qū)的場(chǎng)景，MEC可實(shí)現(xiàn)流量的本地卸載，將信息下沉到本地主機(jī)，保證數(shù)據(jù)的隱私性、安全性；針對(duì)較復(fù)雜的場(chǎng)景如跨部門組建、跨機(jī)構(gòu)建設(shè)，MEC的實(shí)現(xiàn)可考慮在總部的主機(jī)匯集中心或者運(yùn)營(yíng)商骨干機(jī)庫(kù)進(jìn)行核心部署，主要為各子機(jī)構(gòu)的康復(fù)輔助服務(wù)提供用戶層面的接入服務(wù)，其中5G基站可以將各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)給子康復(fù)機(jī)構(gòu)，避免途徑運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)，增加數(shù)據(jù)的安全性、隱蔽性。由于云服務(wù)行業(yè)發(fā)展迅速而且能夠提供較為穩(wěn)健的運(yùn)行環(huán)境并降低運(yùn)營(yíng)成本，康復(fù)機(jī)構(gòu)或?qū)⒋蠓秶夭捎迷品?wù)器，將業(yè)務(wù)系統(tǒng)的大部分遷移到云端，針對(duì)這種形勢(shì)，更適合采用將專屬M(fèi)EC部署在運(yùn)營(yíng)商機(jī)房的方案，可減輕部分運(yùn)營(yíng)壓力和有效的降低成本，然而共享MEC模式雖然可進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)搭建及運(yùn)營(yíng)的成本，但同時(shí)也存在著數(shù)據(jù)安全的隱患。

圖5 MEC基礎(chǔ)架構(gòu)圖[51]Fig.5 Infrastructure diagram of MEC[51]

此外，物聯(lián)網(wǎng)的積極作用已經(jīng)明顯體現(xiàn)到了人們的日常生活中，它可以為殘疾用戶提供豐富多樣的特定服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)所運(yùn)用的射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)技術(shù)以及全球地理信息服務(wù)系統(tǒng)等為海量信息交互和快速通訊提供了技術(shù)支撐，最終形成了一種智能識(shí)別、監(jiān)控、定位、跟蹤和管理的網(wǎng)絡(luò)。其中海量信息的雙向傳遞，信息永久化存儲(chǔ)，歷史資料便捷查詢和網(wǎng)絡(luò)管理等由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)；而感知層則面向物理世界的智能感知，信息高密度采集，信號(hào)處理，模式識(shí)別和自動(dòng)控制等。物聯(lián)網(wǎng)是一種集成空間，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的融合，所有的對(duì)象、資源、物體都能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取，各種服務(wù)也能夠結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供；可面向龐大的客戶群體及各類個(gè)性化服務(wù)需求，解決現(xiàn)實(shí)世界各種應(yīng)用環(huán)境中所存在的問(wèn)題。在統(tǒng)籌計(jì)算、服務(wù)、社會(huì)資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生成方面，大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可建立起康復(fù)行業(yè)大批量的個(gè)性化要求與服務(wù)之間的有機(jī)映射，甚至能夠根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的變化，進(jìn)行康復(fù)服務(wù)的自主調(diào)整[57-60]。

面對(duì)爆炸性增長(zhǎng)的行業(yè)數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)相較于傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)具有更強(qiáng)大的分析能力，可對(duì)海量的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，從而經(jīng)濟(jì)，高速的捕獲、發(fā)現(xiàn)最為有用的信息。大數(shù)據(jù)處理過(guò)程一般包括數(shù)據(jù)抽取與集成，即基于大數(shù)據(jù)提取關(guān)系和信息實(shí)體，經(jīng)過(guò)關(guān)聯(lián)、聚合之后，采用統(tǒng)一定義的結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)和解析數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和演化趨勢(shì)。傳統(tǒng)分析技術(shù)如數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計(jì)分析等方法，易于收到數(shù)據(jù)之中噪音成分的影響，但新型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以根據(jù)在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。就康復(fù)行業(yè)而言，大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)可按所需的服務(wù)，形成資源池，具有快速化，彈性化，可度量等多種優(yōu)點(diǎn)?？祻?fù)行業(yè)形成多模態(tài)數(shù)據(jù)，如視頻，傳感器信號(hào)，可穿戴設(shè)備等數(shù)據(jù)，這方面可結(jié)合云計(jì)算和云存儲(chǔ)資源，為大數(shù)據(jù)分析提供了有利的算力保證。

3.2 康復(fù)輔助技術(shù)的5G應(yīng)用場(chǎng)景

從當(dāng)前形勢(shì)來(lái)看，康復(fù)行業(yè)將來(lái)必然要大量使用視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。未來(lái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將不再是簡(jiǎn)單地安裝和配置攝像機(jī)進(jìn)行視頻信號(hào)采集。而是形成一套智能視頻平臺(tái)，融合各種不同的場(chǎng)景，將各類新型技術(shù)如人臉識(shí)別、車牌鑒別、穿戴識(shí)別、行為分析等人工智能技術(shù)進(jìn)行組合打包，服務(wù)于特定的群體。其中智能視頻與5G攝像頭結(jié)合形成的智慧監(jiān)控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)康復(fù)行業(yè)而言至關(guān)重要的智能安防功能。5G攝像原理支持高傳輸速率，在提高分辨率的同時(shí)還能夠支持360°的全景拍攝，實(shí)現(xiàn)高清采集、永久存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析。典型的應(yīng)用場(chǎng)景如將監(jiān)控服務(wù)與業(yè)務(wù)體系相結(jié)合，根據(jù)模式識(shí)別或人臉識(shí)別結(jié)果直接關(guān)聯(lián)到患者的康復(fù)診療檔案，為殘疾人提供便捷的院內(nèi)智能指導(dǎo)業(yè)務(wù)。另一方面，移動(dòng)護(hù)理的各類場(chǎng)景需要短時(shí)延來(lái)提供良好的護(hù)理體驗(yàn)，而5G技術(shù)能滿足網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和帶寬需求，保證數(shù)據(jù)采集的完整性、快速性，提供高效便捷而又具備智能特點(diǎn)的移動(dòng)康復(fù)輔助服務(wù)。例如，在醫(yī)院日常的查房護(hù)理過(guò)程中，5G網(wǎng)絡(luò)提供的高清音頻、視頻幫助醫(yī)護(hù)人員實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)卡頓的溝通，并可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化采集康復(fù)人員的體征數(shù)據(jù)并高速傳輸，還利于快速合理地處理突發(fā)情況，如在康復(fù)輔助過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)患者身體發(fā)生的可疑變化，保障信息準(zhǔn)確、及時(shí)傳輸，減少或避免糟糕情況的發(fā)生，從而提高查房和康復(fù)服務(wù)的質(zhì)量和效率。此外，對(duì)康復(fù)輔助中的其他業(yè)務(wù)，如醫(yī)囑管理、藥品管理、康復(fù)輔助器具使用等，也能夠通過(guò)5G專網(wǎng)來(lái)高效有序完成。較之傳統(tǒng)4G技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)將明顯提升醫(yī)療護(hù)理效率[59-60]。

4 結(jié)論與展望

在技術(shù)方面，傳感、導(dǎo)航、避障、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人控制、人機(jī)接口等技術(shù)均已在康復(fù)輔助技術(shù)中得到應(yīng)用，各類智能化、個(gè)性化的產(chǎn)品、方案也已積累了許多成果，而更多普惠、便利、人性化的產(chǎn)品也正在被人們所期待。盡管在價(jià)格、智能化程度等方面康復(fù)輔助技術(shù)并沒(méi)有滿足人們的所有想象，但在不斷創(chuàng)新和發(fā)展的過(guò)程中，康復(fù)輔助事業(yè)的廣闊前景將逐步顯現(xiàn)，更具先進(jìn)性、實(shí)用性的產(chǎn)品將給用戶帶來(lái)巨大利益。相比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，在康復(fù)輔助技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)展上，中國(guó)雖起步較晚，但得力于國(guó)家大力支持，發(fā)展勢(shì)頭良好、速度迅猛，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，尤其對(duì)于BCI的研究，其在民用、國(guó)防、航天領(lǐng)域都顯示出不俗的研究潛力，而在康復(fù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)BCI研究也涌現(xiàn)了一批突出的技術(shù)成果。

目前中國(guó)智慧康復(fù)產(chǎn)業(yè)初步發(fā)展，存在著對(duì)硬件設(shè)施過(guò)于依賴等的問(wèn)題?？梢詮漠a(chǎn)業(yè)鏈角度對(duì)中國(guó)智慧康復(fù)模式進(jìn)行創(chuàng)新與完善。基本實(shí)現(xiàn)思路如圖6所示。智慧康復(fù)產(chǎn)業(yè)鏈模式的核心是智慧康復(fù)綜合服務(wù)平臺(tái)，其利用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)殘疾人、服務(wù)供給方以及智能設(shè)備進(jìn)行有效鏈接以實(shí)現(xiàn)線上和線下整合。其中醫(yī)療機(jī)構(gòu)方面提供透明的醫(yī)療資源地理分布信息、層級(jí)劃分信息和相關(guān)服務(wù)，并能夠?qū)⒒A(chǔ)醫(yī)療與遠(yuǎn)程醫(yī)療相結(jié)合，給出更為合理高效的診療方案；在社區(qū)、家庭服務(wù)方面智慧康復(fù)產(chǎn)業(yè)鏈配備有社區(qū)服務(wù)協(xié)同、居家監(jiān)測(cè)、上門指導(dǎo)、預(yù)警檢測(cè)等服務(wù)策略，給殘疾人居家生活提供了更為安全、便捷、舒心的環(huán)境；對(duì)于當(dāng)前存在的康復(fù)器械和患者之間僅為單向交互的問(wèn)題，可采用機(jī)器視覺(jué)、圖像識(shí)別及體感技術(shù)，給患者安裝智能攝像頭，使患者以體感游戲的特殊交互方式實(shí)現(xiàn)角色轉(zhuǎn)換，完成肢體動(dòng)作的直接交互，解決患者有可能面臨的訓(xùn)練完成度不夠及訓(xùn)練動(dòng)作不到位的問(wèn)題，最終達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。人工智能技術(shù)的引入，一方面能夠?qū)颊叩目祻?fù)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉和進(jìn)行評(píng)測(cè)，及時(shí)糾正訓(xùn)練不到位的動(dòng)作，另一方面可有效的實(shí)現(xiàn)主動(dòng)雙向交互，對(duì)患者康復(fù)期間煩躁?duì)顟B(tài)的改善和患者信心的建立有積極作用[61-62]。

圖6 智慧康復(fù)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.6 Industrial chain diagram of smart rehabilitation

此外，5G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效信息交互，助力智慧康復(fù)信息化建設(shè)的推進(jìn)，其高帶寬、低時(shí)延特性可支撐包括服務(wù)類、康復(fù)設(shè)備類在內(nèi)的多種多媒體康復(fù)數(shù)據(jù)的安全、高速傳輸，對(duì)跨地域、跨機(jī)構(gòu)的信息共享起到關(guān)鍵作用，從而提高優(yōu)質(zhì)康復(fù)資源利用率和康復(fù)服務(wù)整體效率，推動(dòng)了遠(yuǎn)程康復(fù)行業(yè)快速健康發(fā)展。而在保證基本的康復(fù)服務(wù)之外，還可以通過(guò)第三方機(jī)構(gòu)為殘疾人提供更豐富的增值性服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈的延伸。同時(shí)，可以充分發(fā)揮社區(qū)服務(wù)職能，更好的實(shí)現(xiàn)線下交互，進(jìn)而更好地服務(wù)并保護(hù)殘疾人。