中科院研究員侯增廣深度解析康復機器人的現狀、機遇和未來

科技 04-11

2018年3月3日下午，機器人大講堂迎來了開年第一場講座，主講嘉賓是中國科學院自動化研究所侯增廣研究員，他就「康復機器人的機遇與挑戰」為大家帶來了精彩分享。

侯研究員的研究方向主要是康復機器人，曾研製過微創血管介入手術機器人、中風和脊髓損傷患者用康復機器人、多通道肌電信號採集儀、多通道電刺激裝置等，曾承擔國家863計劃、國家自然科學基金、科技助殘等項目，獲發明專利授權20餘項，發表論文100餘篇。目前擔任《IEEE Transactions on Cybernetics》、《Neural Networks》、《控制理論與應用》等期刊編委。

以下為機器人大講堂根據侯增廣研究員的演講整理而成，歡迎大家分享。

人工智慧&機器人

侯老師講到，人工智慧和機器人是相伴而生，相輔相成成長的。機器人是驗證人工智慧最好的平台，同時也是檢驗人工智慧演算法、方法的一個有效工具。

人工智慧和機器人都出自上世紀中葉，它們的出現深刻改變了人類的生產生活以及工作方式。為什麼人工智慧和機器人會一同產生、一同火熱而如今又重新火熱？其中有很多因素，而一個主要因素是現在社會對機器人和人工智慧的需求非常旺盛，同時兩者的技術條件、技術儲備也達到了一定階段，從而促成了人工智慧和機器人的再次復興和走向熱潮。而這個熱潮，對於很多今天正在創業的年輕人，都將是很好的機會。

侯老師還提到，人工智慧是為了更好地服務人類社會，而如何把生物智能融合於機器智能，這是機器人技術面臨的挑戰，也是康復機器人研究者們要解決的問題……

康復機器人市場

全球及國內市場

權威數據顯示：2004年全球康復機器人市場份額為2.2億美元，預計到2021年將達到32億美元。其超高的增長率，其他行業難以比擬……

國內潛在的康復市場（不僅是康復機器人，還包括所有康復器具、輔具）的份額是4000億元，而嚴格意義上的康復機器人也會有相當大的規模。

國內現有7000餘家康復醫療機構，但能提供康復訓練的僅占不到1/3。2014年數據顯示，中國已有2000多萬肢體殘疾患者，而其中只有相當一小部分（約30多萬人）能得到肢體康復訓練，而康復訓練的效果也不甚相同。

康復設備供應與臨床需求的巨大缺口

康復科室屬於綜合性很強的科室，醫生們對高端醫療設備及技術普遍有著急迫的需求。其中包括中風患者的康復、脊髓損傷的康復以及神經損傷的康復等。心腦血管、腫瘤、肢體骨折等住院患者中，大量患者需要康復治療，而目前國內這些部分的工作還非常欠缺。

老齡化社會需求

根據聯合國最新標準，65歲以上人口達到7%，即視為「老齡化社會」，14%為「高齡社會」，21%為「超高齡社會」。2017年4月，渣打銀行的研究報告預計中國將經歷25年的時間從老齡化社會過渡到到高齡社會，同樣的轉變，英國需用45年，美國需用69年，法國需用115年。並且，中國將於2035年進入超高齡社會。《第四次中國城鄉老年人生活狀況抽樣調查》顯示，截至2016年，我國失能、半失能老年人有4063萬人，占老年人口18.3%。我國目前大於60歲的人口有2億多，許多老人都面臨中風和其他各種疾患的困擾，而康復治療是極其重要的內容。

醫學應用背景

侯老師在現場為我們重點講述了神經康復。而目前在國際上，針對中樞神經系統的康復機器人也是主流。中樞神經包括兩大部分，一部分是腦，另一部分是脊髓，它們的損傷都會造成人體功能的損傷。損傷分為幾類，一類是由於老年人老齡化造成的中風、腦出血等一些損傷，第二類是外傷，如交通事故、工地上的損傷等，還有一類是疾病造成或是天生造成的殘疾。

嚴重的神經損傷會威脅患者生命，輕些的損傷也會使患者產生認知功能障礙和行為障礙。神經損傷的患者是需要做康復治療的一類人群。

偏癱通常是由中風造成的，它會帶來感知和運動功能障礙，影響患者的生活質量。我國每年新增約200萬，另外還有100萬左右的SCI（中樞神經損傷）患者，這些患者會造成沉重的家庭負擔。

醫學的統計結果顯示，80%的倖存者都存在著認知、言語或運動功能障礙，需要進行康復。但是康複本身其實是一項體力勞動，並且容易造成患者二次損傷。我國現在缺乏康復治療師，並且康復治療費用較高。現有的傳統的康復訓練室中普遍是一些非常簡單的設備，人機交互功能很差，而康複本身對人機交互的要求卻很高。這就是康復機器人的研究背景。

康復機器人國內外研究現狀

康復機器人與工業機器人有很多不同，如同治療師的任務與工人的任務差別很大。關於康復機器人到底能不能實現康復治療師的功能，達到康復治療的效果，在BRAIN雜誌（國際認可的醫學雜誌）上，有一些直接的驗證。其中機器人可以輔助患者的雙手做簡單的抓握訓練，還有一些間接的驗證，證明了康復機器人以及康復訓練裝置能夠改善中風患者的運動機能，也證明了人工的康復訓練器具部分代替康復治療師。

其實康復機器人可以追溯到很早，而近十幾年的發展態勢很好，人們的關注度增加了不少。最早的康復機器人主要是幫助人們行走，如果我們把器具看作是初始的前端，從趨勢上可以預見機器人將能非常有效的代替人類的康復治療工作。一方面是恢復運動能力，另一方面是幫助生活不能自理的人或生活能力下降的人恢復和保持他們原來的生活能力，甚至提高他們的生活能力。

康復機器人的機遇與挑戰

侯老師表示，康復機器人在中國存在很大的市場和商業契機。但我國起步較晚，還缺乏成熟的、市場普遍認可的產品。康復機器人將來的發展趨勢有很多主線，而基於人機交互的控制是將來康復機器人發展的一個重要主線。這個過程需要我們獲得機器人的狀態信號、動力學、運動學等等，關於人的生理信號，我們要獲得肌電信號、腦電信號、血壓、呼吸等等。腦電很容易受外界環境的影響，而肌電信號也受皮膚乾濕度、毛髮等因素影響。

利用肌電控制康復機器人

侯老師跟大家討論了四個方面的應用。其一是基於肌電觸發的肌電控制方法，其二是基於比例的控制肌電控制方法，還有基於模式識別和基於肌肉的控制方法。

中風患者上肢或下肢運動功能受損，通過表面肌電信號可以檢測和判斷患者處於何種運動狀態，基於此，研究者再對康復機器人做相應的控制和訓練。表面肌電信號的另一種應用是康複評定，可以判斷患者處於何種階段……

研究進展——系統原理

正常人的神經通路是暢通的，就像一個控制系統，腦是指令器官，下肢、肢體相當於執行器，當脊髓受到損傷，腦部的指令到執行器的通路是阻斷的或是損傷的，這時大腦的指令就無法順利傳達。

現在有研究是利用人工產生的電脈衝信號代替生物神經電脈衝信號來刺激肌肉，讓它完成運動功能。神經信號十分微弱，有一些獲取辦法，但不論是表面的還是植入式的在實際應用都存在很多挑戰。

康復機器人的設計與臨床問題

人體肌電信號超前於人的動作，超前於運動結果，非常靈敏、能夠反映精細運動，研究者們目前遇到的挑戰是如何更好和更準確地識別這種信號。接下來是，如何把人工指令反饋到運動器官。目前可以用電脈衝來刺激肌肉產生運動，解決在神經通路故障、沒有生物神經信號驅動的情況下，讓人工電信號驅動，實現簡單的人體運動。其間有很多工作要做，包括對人的肌肉骨骼系統進行控制。還針對不同情況的偏癱患者開發了模塊化的康復機器人。

侯老師表示，雖然目前康復機器人只能在某些局部的治療上代替治療師，普遍還達不到治療師的水平，但隨著功能的完善和數據的增加，相信在未來康復機器人在某些功能上可以超越治療師。

總結與展望