康復訓練器械與人機接口

莫子霆　孟紅旗　陳鎮鵬　保穎怡　周蔚

摘 要 康復訓練器械與人機接口相結合，優化人機界面，讓康復患者在使用時盡量減少疲倦感，同時使康復訓練器械更加智能，更加實用，更加安全。以下肢步行康復器和上下肢主被動康復器為例，描述人機接口在應用于康復訓練器械的同時保證其安全性和輔助性。

關鍵詞 康復訓練 人機接口 人體工程學 人機界面 康復訓練器械

傳統的康復手段已經難以滿足患者的需求，康復訓練器械與人機接口能保證功能障礙者以安全有效的方式來使用康復專業器械，同時由于功能障礙者的肌肉力量和關節活動度對比正常人來說有較大的差距，因此保證功能障礙者在使用器械時的安全也極為重要，正是因為這些原因，人機接口應運而生。[1]

1 新型康復訓練器材

1.1 人機接口

人機接口，是指將人與計算機終端相連接完成人向電腦輸入信息，電腦對人進行反饋的過程的接口。在人機界面中，人的元素是運動器官、感受器、中樞神經系統，機的元素是控制器、機體與顯示器。[2]人機之間通過顯示器作用于人的感官以機械運轉功能狀態的信息形式，通過機械控制器將其輸出信息轉變為機械的輸入信息。轉換效率中的人機界面信息主要取決于人的感官特性之間與顯示器和人的反應器官特性與控制器之間的匹配系數與程度。有兩類機械包括了康復訓練患者所使用的人機接口的康復訓練器械：（1）輔助功能障礙者能正常完成正常生活所需的動作的輔助性人機接口；（2）在使用康復訓練器械過程中，保障功能障礙患者安全性的人機接口。

1.2 人機接口康復器材與傳統康復器材的區別

傳統康復器材可分為固定型和非固定型，固定型包括：網架、平衡杠、訓練用階梯、墻壁拉力器等等，非固定型包括：巴氏球等等，籃球。張克選等[3]指出使用了人機接口的康復器械可以將康復訓練應用到部分健身器材中，可以實現患者與康復訓練器材之間快速的穿卸，如果在康復訓練器材發生故障的情況下，能夠使使用者與訓練的器材快速及直接的分離。傳統的康復器械可能由于不同使用者之間的不同習慣，因此例如在操作，使用方式，大小，形態等不能符合每一個患者的需求，而用了人機接口的器械，可以根據患者的需求，進行調整。患者不需要被動的去適應器材，而是器材去符合患者的需求。隨著科技發展，國內外已經研究出新型的康復訓練器械，它比起傳統的康復器械更加自動，更加可控，更加智能。[4]

1.3 人機界面的優化方案

進行信息交互的操作方式的人機界面是人和機器之間。好的人機界面簡潔卻又不失美觀性和信息的豐富性，操作既簡單又富有引導性，使康復訓練患者在使用時輕松愉快，興趣飽滿，器械的使用效率也能得到提高。主要的交互方式有：（1）問答式對話：最簡單的對話式問答是把用戶的選擇限制在yes/no，較為復雜的問題也盡可能把答案限制在范圍較少的答案集合。優點是易用，易學，不易錯，缺點是效率不高，靈活性較差，用戶選擇余地較少。（2）菜單界面：把選項集合以線性排列或圓圈順序排列，讓用戶有較多的選擇。優點是易學易用，容錯率有所提高。缺點是降低了高頻用戶使用時的速度，擠占顯示空間等。（3）填表界面：允許用戶在表格內自由移動光標填寫所需要的信息。優點是：直觀，方便，自由度高。缺點是擠占屏幕空間，設備要求較高，用戶需要進行訓練。（4）命令語言界面：用戶按照系統所規定的邏輯輸入命令給系統，系統完成命令所規定的功能，并顯示結果。優點是：效率高，靈活性高，不擠占屏幕空間，精確。缺點是：需要經過較多的用戶培訓，語法規則要求較高。

以上幾種交互界面可以相互結合，例如可以先使用命令語言界面做一級界面，菜單界面做二級界面，問答式界面為底層界面，同時填表界面作為備用選項。而且命令語言界面的設計應盡量簡單，培訓的過程也盡可能做到簡短深刻。由于圖形具備：（1）快速識別，效率高；（2）表示空間和視覺概念，有利于布局的美觀性；（3）有利于界面國際化；（4）便于記憶的特點，軟界面應該盡可能使用圖形圖標表達。

2 人機接口與康復訓練器械

2.1 康復訓練器械在人機接口中的應用

世界上首臺微處理器的運動康復訓練器是德Medical 公司1993年開發的，首臺具有對稱反饋訓練的電機驅動訓練智能康復器于1997年研制成功，具有平衡訓練功能的對稱性主被動智能康復器于2005年又推出。這種智能康復器是面對長期住院，身體不能按照自己意愿行動的肢體病痛、身體殘障患者所設計的一款康復訓練器械，它更為人性化，更易操作，更多元化的操作模式。具有重量輕、體積小、結構簡單、價格低廉、使用方便等優點。

Ramon de la Rosa等人提出了UVa-NTS（巴利阿多里德大學神經肌肉訓練系統），是采用了人機界面系統的基于EMG和MMG信號的多功能和便攜式神經肌肉訓練系統。Tohru Kawabe[5]提出了一種新的BMI（Brain Machine Interface）方法基于RHC（Receding Horizon Control）。該方法適用于輪椅的控制，而輪椅又是當代社會中殘疾人最常用，最重要的人及系統之一。該系統基于EEG（腦電圖）的RHC控制器，自適應DA轉換器和BMI構成。

2.2 輔助性人機接口

康復訓練器材針對幫助患者活動，通過外部的支撐力量，彌補主動肌肉與拮抗肌肉的失衡，特殊情況設計了不同的輔助人機接口，如幫助患者穩定站立和正確行走步態的下肢康復訓練器的輔助人機接口。由于下肢功能障礙者具備強烈的特殊性，在設計下肢功能障礙康復器械時，必須解決以下問題：（1）仿生學和人體工程學是步行康復器械的設計必須建立的基礎，并具有身材的兼容性，設計出的產品適用性比較強， 尺寸及其結構應具有可調節性。（2）對于這些下肢殘障患者， 必須固定下肢康復器械相互對應的位置的其膝關節和兩腳處，其下肢發生功能障礙，肌力及肌張力改變，從而使患者無法保持功能的平衡。肌肉萎縮不能行走的并發癥是下肢功能障礙者常見的， 在患者腰部及胸前提供支撐點，在使用者的臀部施加一個壓迫力，是為了避免因長時間訓練而感覺的勞累，從而使患者輕松、安全地保持站立姿勢。

2.3 安全性人機接口

以上下肢主被動康復器械，人機接口運用于的康復器械應強調其安全性。所以在設計上，放在首位的是更應該強調設計過程中的安全系數。安全性包括使用材料的安全性、功能識別安全性、康復器結構的安全性以及外觀形態安全性等。[6]在設計康復訓練器械時要保證其結構強度，采用人體工程學原理。選取可拆卸式設計，簡化設計結構使產品重量減輕，保證功能和結構強度的前提下盡可能減少零件。在器械與地面的接觸面上安裝摩擦系數較大的橡膠墊，以防在使用時意外的發生。在操作上，嚴格按照人體工程學以及人體器官的正常活動范圍所規定的角度，防止運動過量及姿勢錯誤而影響到使用者。另外制造器材的材料要足夠堅硬，例如上下肢連接部分使用鋼架等，同時材料要保證無毒無害。產品的外觀要保證沒有大的拐角，尖銳的凸起，盡可能使用圓潤的，曲面的，穩定對稱的形態。設備必須裝備警報裝置，在發生危險時發出警報，同時與人體接觸的把手、腳踏等自動與機器分離，以此保護使用者的安全。

3 總結

目前，人機接口方案越來越對地運用于康復器械，經過修整，使人機界面更加簡潔又有效，人機接口不僅考慮了康復訓練器械的安全性，也考慮了新設備在使用時的可操作性，[6]已經基本完成了康復訓練器械與人機接口相結合，解決了康復訓練過程中出現的問題。

*通訊作者：孟紅旗

參考文獻

[1] Bien Z， Chung MJ， Chang PH，et al.Integration of a Rehabilitation Robotic System （KARES II） withHuman-Friendly Man-Machine Interaction Units.Autonomous Robots，2004.16：165-191.

[2] 劉慧喜.人機工程學在家用健身車設計中的應用[J].包裝工程，2011.32（10）：47-50.

[3] 張克選，蘇智劍，高振奎，林能濤，朱惠玉.康復訓練器材的人機接口設計[J].中國組織工程研究.2014.18（3）：488-492

[4] 秦曉勇.康復器械在偏癱患者肢體功能恢復中的應用[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011.15（48）：9088-9092

[5] 賈祝軍，申黎明，潘天云.殘疾人與無障礙設計[J].山西建筑，2011.37（22）：3-4.

[6] 李衛東，陳平，李新章.醫療器械臨床試驗方案的制定原則與設計方法[J].醫療衛生裝備，2010.31（6）：83-84.