基于激光針灸技術(shù)的老年膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀的設(shè)計(jì)研究

范 琳，賀嚴(yán)毅

（燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河北 秦皇島 066001）

隨著社會上老年人群體年齡的增加，膝蓋損傷導(dǎo)致脆弱和膝關(guān)節(jié)疾病的事件顯著增加。老年癥狀嚴(yán)重的患者在手術(shù)后，并不是所有的功能都能得到恢復(fù)，康復(fù)仍然至關(guān)重要。在加劇老齡化的過程中，如何解決老年人關(guān)節(jié)康復(fù)及養(yǎng)護(hù)是社會各界面臨的一個重要問題。

文章介紹利用激光針灸和人機(jī)交互技術(shù)開發(fā)出的老年膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀，幫助患者恢復(fù)功能障礙、平衡行走和其他運(yùn)動功能。利用激光針灸技術(shù)的膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀主要包括減輕疼痛、組織再生、減少炎癥和促進(jìn)生物功能。患者可以自主選擇進(jìn)行時長、治療項(xiàng)目及強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時交互和控制，實(shí)現(xiàn)不同關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)。

1 膝關(guān)節(jié)康復(fù)背景及需求

1.1 膝關(guān)節(jié)康復(fù)研究

我國在康復(fù)醫(yī)學(xué)方面仍處于起步階段。膝關(guān)節(jié)手術(shù)后，絕大多數(shù)患者都會出現(xiàn)不一樣的功用障礙。現(xiàn)在只有少量幾家綜合醫(yī)院有康復(fù)科、骨科病院有康復(fù)科或康復(fù)中心[1]。這些醫(yī)院都是在原有基礎(chǔ)上改建而成的，沒有從根本上改變醫(yī)療模式和治療手段，也沒有建立專門的康復(fù)治療團(tuán)隊(duì)，更沒有設(shè)置獨(dú)立的門診病房或康復(fù)病區(qū)。即使建立了科室和病區(qū)，也僅僅是對已經(jīng)存在較嚴(yán)重功能障礙的患者進(jìn)行治療和功能恢復(fù)訓(xùn)練。

在國外有相關(guān)資金和技術(shù)支持康復(fù)機(jī)器的發(fā)展，在1990 年全球大約五十多個研究中心，主要分布在英國、美國、歐洲等地。美國的Prospect 公司研制的Pepper，可以幫助患者完成日常生活所需的動作，其設(shè)計(jì)是基于計(jì)算機(jī)輔助。目前全世界有二十多家公司在進(jìn)行研究，并且在不斷地進(jìn)步和發(fā)展。

發(fā)達(dá)國家通過個人醫(yī)療保險的完整鏈條，從治愈、復(fù)健到回歸正常生活都在醫(yī)療保險的服務(wù)范圍內(nèi)。如表1 所示，我國的康復(fù)服務(wù)體系相對于發(fā)達(dá)國家水平落后，從設(shè)備、設(shè)施、供需、環(huán)境等方面仍未及發(fā)達(dá)國家。

表1 國內(nèi)外康復(fù)醫(yī)療體系對比

1.2 膝關(guān)節(jié)康復(fù)需求

康復(fù)儀可提供用戶多種模式進(jìn)行治療膝關(guān)節(jié)，由患者依據(jù)自身情況進(jìn)行。同時，還能為患者提供定制化的個性化方案，可以幫助病人進(jìn)行有效的活動控制。在應(yīng)用中，康復(fù)儀器符合體積小、重量輕、適合人體等特點(diǎn)，能夠滿足患者的基本需求，減少大型儀器的消耗，在未來有望代替人工進(jìn)行康復(fù)治療。我國針對現(xiàn)有儀器應(yīng)該改進(jìn)的地方包括：對于患者來說，目前盡可能地滿足獨(dú)立操作、智能化主動選擇；對于患者家庭來說，主要是盡量減少耗資、更加有效的治療方案與后期持續(xù)康養(yǎng)。

2 目標(biāo)用戶現(xiàn)狀及分析

2.1 目標(biāo)用戶群體

在老齡化形勢的影響下，60 歲左右的老年人和每天需要維護(hù)膝關(guān)節(jié)的人將是膝關(guān)節(jié)問題的主要人群。國內(nèi)一部分是沿用國外產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，但國內(nèi)外老年人體型差異大，長此以往，對老年人的康復(fù)會造成影響。

2.2 研究對象分析

根據(jù)前期對于康復(fù)用戶人群的定位與分析，分別對康復(fù)醫(yī)護(hù)人員和康復(fù)患者進(jìn)行訪談。

（1）康復(fù)醫(yī)護(hù)人員訪談內(nèi)容包括：中醫(yī)針灸主要在術(shù)后哪個階段使用；大部分醫(yī)師對膝關(guān)節(jié)使用針灸進(jìn)行治療的態(tài)度；當(dāng)下康復(fù)儀的運(yùn)作方式；相關(guān)康復(fù)儀的治療過程；對于針灸治療的需求和期望等。（2）康復(fù)患者訪談內(nèi)容包括：復(fù)健的治療過程與病痛；使用針灸治療時的心理狀態(tài)；是否需要專業(yè)人員陪同；對針灸治療的期望和需求等[2]。

總之，專業(yè)的針灸治療需要醫(yī)護(hù)或醫(yī)師的專業(yè)操作，而另外一部分設(shè)備可由患者自主使用。患者大多認(rèn)為專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員開銷較大，所以大多數(shù)主要以依靠家屬為主。而對于針灸治療，患者期望率較高，也較為信任。

3 康復(fù)儀器分類及針灸研究現(xiàn)狀

3.1 康復(fù)儀器分類

1.下肢驅(qū)動式。下肢驅(qū)動的膝關(guān)節(jié)術(shù)后康復(fù)設(shè)備是指依靠患者下肢驅(qū)動的裝置，一般未安裝驅(qū)動器。由德國Thera 公司研制CAMOped 下肢訓(xùn)練器[3]，依靠健康的下肢帶動患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動，CAMOped 用途廣泛，并且體積小重量輕。但該設(shè)備不能有效地對關(guān)節(jié)功能恢復(fù)較差的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練效果較差。限制于持久性的問題下，更需要一種新型可穿戴式、易于操作和維護(hù)的裝置來幫助老年患者在術(shù)后進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。研究發(fā)現(xiàn)，下肢運(yùn)動鍛煉有助于減輕疼痛和促進(jìn)恢復(fù)。在某種程度上對肌肉萎縮的患者來說，促進(jìn)恢復(fù)功能非常重要[4]。

2.驅(qū)動機(jī)構(gòu)式。驅(qū)動機(jī)構(gòu)式實(shí)現(xiàn)了下肢康復(fù)功能的主動化、個性化，在運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)主動活動和被動運(yùn)動平衡，并根據(jù)用戶的運(yùn)動模式調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練策略和參數(shù)。LiteStepper 可以通過自主學(xué)習(xí)并自適應(yīng)地學(xué)習(xí)用戶的運(yùn)動模式，并通過主動化反饋，根據(jù)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整機(jī)器的訓(xùn)練策略和方法，實(shí)現(xiàn)患者與機(jī)器“零距離”交互。且LiteStepper 只需要一位治療師來操作，提高了康復(fù)的效率。對于患者而言，將根據(jù)患者的實(shí)際情況提供智能化訓(xùn)練，從而達(dá)到更佳的康復(fù)效果。

3.外骨骼式。外骨骼式是能夠輔助患者進(jìn)行肢體運(yùn)動功能的恢復(fù)，同時也能提供外部支持。主要有兩種形式：一種是由外部傳感器來控制，另一種是由患者自身直接控制。市場上有不少以此為原型研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品，按照理念可分為CPM 康復(fù)設(shè)備和仿生外骨骼設(shè)備。目前，CPM 康復(fù)這項(xiàng)技術(shù)在臨床上非常有用，特點(diǎn)是在延長的被動運(yùn)動過程中，針對下肢患者的運(yùn)動，評估患者的功能康復(fù)[5]。我國臺灣大學(xué)將“CAM”與“CPM”相結(jié)合，為下肢及腰部康復(fù)訓(xùn)練提供輔助。CAM 檢查后，患者的生活和動作恢復(fù)正常。同時，CPM 和CAM 的結(jié)合也在治療方面發(fā)揮了積極作用。

4.多運(yùn)動軌跡式。相關(guān)研究人員等人開發(fā)了一種基于傳統(tǒng)運(yùn)動軌跡和改進(jìn)后的運(yùn)動學(xué)模型的新型CPM，只有當(dāng)系統(tǒng)從患者的主動或被動角度切換到極端角度時，CPM 才能更好地發(fā)揮作用。研究人員使用一種工具來理解傳統(tǒng)動作，并使用更好的模型以各種方式訓(xùn)練下肢和軀干。

3.2 研究現(xiàn)狀

激光針灸，最早在2000 年由格拉茨大學(xué)和帕德伯恩大學(xué)發(fā)展起來的，是許多歐洲診所的中心療法。針灸光纖的直徑為500 微米，用于治療人們的針灸，把能量傳導(dǎo)到穴位，通過積累吸收、傳輸和釋放能量。隨著社會的發(fā)展，人們對于健康越來越重視，但疾病總會困擾著患者，中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的針灸療法不僅可以恢復(fù)患者的健康，還可以使疾病最終得到根治。

4 康復(fù)輔助儀設(shè)計(jì)方案及說明

4.1 設(shè)計(jì)方案

結(jié)合用戶反饋以及技術(shù)結(jié)構(gòu)量化考量，對產(chǎn)品的具體方向需求逐漸準(zhǔn)確，更多地將落實(shí)于設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、人機(jī)等要素上。

傳統(tǒng)的中醫(yī)針灸治療方法是以中醫(yī)的理論為基礎(chǔ)，而現(xiàn)代激光針灸技術(shù)，使用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，通過光、熱、電、機(jī)械能和其他形式的能量用作刺激手段，以在神經(jīng)反射、神經(jīng)內(nèi)分泌和神經(jīng)調(diào)節(jié)的作用下實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)治療，同時也將儀器所具備的性能及人性化的設(shè)計(jì)理念在老年人群體中普及。膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀采用智能技術(shù)與先進(jìn)材料結(jié)合，以人體工程學(xué)理論為基礎(chǔ)，同時采用先進(jìn)的傳感技術(shù)與無線技術(shù)，使用者能夠根據(jù)膝關(guān)節(jié)的狀況進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到康復(fù)膝關(guān)節(jié)的目的。

4.2 設(shè)計(jì)說明

1.產(chǎn)品造型說明。從外觀方面對產(chǎn)品的可用性和易用性進(jìn)行分析，并總結(jié)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的過程中，考慮到結(jié)構(gòu)安全、所有操作人員及功能、使用者是否方便使用。經(jīng)調(diào)研，市場上治療類醫(yī)療器械都以功能為核心，缺少外觀設(shè)計(jì)。而膝關(guān)節(jié)儀器類面向市場銷售在同類產(chǎn)品群體中要體現(xiàn)出不同的設(shè)計(jì)意圖，簡潔以及輕量化是外觀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，以此進(jìn)行靈感挖掘。

產(chǎn)品CMF 要素包括：（1）色彩方面。膝關(guān)節(jié)康復(fù)工具的產(chǎn)品顏色應(yīng)包括健康、科技，從而引導(dǎo)患者更明確地操作和使用，建立良好的復(fù)健心態(tài)。（2）材料方面。板材、工廠碳纖維、塑料工程ABS、亞克力等多種材料，充分考慮材料性能和性價比，選擇最佳材料。（3）表面處理方面。在表面處理中常見的工藝有噴砂、拋光、電鍍等。產(chǎn)品的表面處理也會影響產(chǎn)品的后續(xù)使用效果，引導(dǎo)用戶在視覺和觸覺上區(qū)分和使用產(chǎn)品。

2.產(chǎn)品功能說明。（1）穴位針灸功能。刺激人體特殊穴位，達(dá)到通經(jīng)活絡(luò)、調(diào)整膝關(guān)節(jié)處的機(jī)能。（2）基本CPM 功能。腿部固定、結(jié)構(gòu)舒適、臥姿坐姿均可使用和易穿戴、角度鎖定。（3）交互功能。系統(tǒng)狀態(tài)與燈光呈現(xiàn)，語音提示。（4）數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)及時間可視化、療程智能提醒、數(shù)據(jù)實(shí)時記錄。（5）輔助功能。鎮(zhèn)痛消腫、制定專業(yè)治療流程。

將五類功能劃分為三層：基本功能是用戶現(xiàn)擁有的功能，也是產(chǎn)品的要素；中期功能是康復(fù)后進(jìn)行規(guī)范提升，一般應(yīng)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)；專業(yè)功能則由家屬或醫(yī)護(hù)輔助進(jìn)行，設(shè)置專屬于該患者的個人治療方式。

4.3 設(shè)計(jì)定位

1.目標(biāo)用戶定位。膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀面向膝關(guān)節(jié)及周圍有損傷或術(shù)后治療的位于復(fù)健時期的患者。

2.產(chǎn)品造型定位。設(shè)計(jì)的康復(fù)儀的整體造型將以簡潔風(fēng)格為主，在保證便捷性和安全性的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

3.產(chǎn)品功能定位。在針對膝關(guān)節(jié)及周圍有損傷或術(shù)后治療的復(fù)健時期的患者進(jìn)行被動治療來幫助患者，實(shí)現(xiàn)直觀監(jiān)測、智能提醒、佩戴舒適等功能。

5 總結(jié)與展望

5.1 課題主要研究成果

在理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動和康復(fù)的特點(diǎn)和需求，設(shè)計(jì)一款結(jié)合激光針灸的康復(fù)治療的膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀器。文章主要研究內(nèi)容有：（1）通過對膝關(guān)節(jié)康復(fù)的調(diào)研分析，揭示了在設(shè)計(jì)流程中的用戶研究缺失，明確了用戶的痛點(diǎn)。（2）提出產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程。通過對膝關(guān)節(jié)康復(fù)產(chǎn)品使用者進(jìn)行分類來指導(dǎo)用戶研究，將用戶需求和設(shè)計(jì)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)要素的轉(zhuǎn)化，到最終的設(shè)計(jì)決策與實(shí)施。（3）通過產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、交互體驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)，都落實(shí)到產(chǎn)品。完成膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀產(chǎn)品的開發(fā)過程。

5.2 發(fā)展趨勢及展望

康復(fù)和康養(yǎng)領(lǐng)域的改善和發(fā)揮可以更好地幫助患者。為了提高訓(xùn)練的效果，激光針灸膝關(guān)節(jié)康復(fù)儀須突破以下關(guān)鍵技術(shù)[6]。（1）智能化控制技術(shù)。現(xiàn)有激光針灸有兩種主要方法，針刺和激光照射。現(xiàn)有的康復(fù)設(shè)備智能化水平較低，部分設(shè)備操作復(fù)雜，需要專門人員負(fù)責(zé)，限制了激光針灸技術(shù)的推廣及應(yīng)用。提高康復(fù)設(shè)備智能化水平的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的簡易性、安全有效的控制策略、數(shù)據(jù)處理的智能化水平和康復(fù)評價的可靠性。（2）復(fù)合康復(fù)輔助治療。康復(fù)醫(yī)學(xué)為針灸的應(yīng)用和發(fā)展提供了新的機(jī)會，在進(jìn)行正常膝關(guān)節(jié)治療的同時，加入針灸治療刺激穴位，共同達(dá)到康復(fù)的目的。（3）適應(yīng)性與特征性。要提高膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的自適應(yīng)能力，在膝關(guān)節(jié)固有的生理特征下，儀器要有較高程度的仿生化，對下肢和膝關(guān)節(jié)模型和仿真，增強(qiáng)對膝關(guān)節(jié)本身的適應(yīng)性。其次，需要提高機(jī)構(gòu)適應(yīng)不同個體的生理特征的自適應(yīng)能力，滿足個性化康復(fù)的需求。提高康復(fù)設(shè)備的特征能力將促進(jìn)自適應(yīng)技術(shù)在醫(yī)療康復(fù)中的應(yīng)用。