莫子霆　孟紅旗　陳鎮(zhèn)鵬　保穎怡　周蔚

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

關(guān)鍵詞 康復(fù)訓(xùn)練 人機接口 人體工程學(xué) 人機界面 康復(fù)訓(xùn)練器械

傳統(tǒng)的康復(fù)手段已經(jīng)難以滿足患者的需求，康復(fù)訓(xùn)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(fù)專業(yè)器械，同時由于功能障礙者的肌肉力量和關(guān)節(jié)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(yīng)運而生。[1]

1 新型康復(fù)訓(xùn)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(jīng)系統(tǒng)，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(zhuǎn)功能狀態(tài)的信息形式，通過機械控制器將其輸出信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械的輸入信息。轉(zhuǎn)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(yīng)器官特性與控制器之間的匹配系數(shù)與程度。有兩類機械包括了康復(fù)訓(xùn)練患者所使用的人機接口的康復(fù)訓(xùn)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(fù)訓(xùn)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(fù)器材與傳統(tǒng)康復(fù)器材的區(qū)別

傳統(tǒng)康復(fù)器材可分為固定型和非固定型，固定型包括：網(wǎng)架、平衡杠、訓(xùn)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(fù)器械可以將康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用到部分健身器材中，可以實現(xiàn)患者與康復(fù)訓(xùn)練器材之間快速的穿卸，如果在康復(fù)訓(xùn)練器材發(fā)生故障的情況下，能夠使使用者與訓(xùn)練的器材快速及直接的分離。傳統(tǒng)的康復(fù)器械可能由于不同使用者之間的不同習(xí)慣，因此例如在操作，使用方式，大小，形態(tài)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(jù)患者的需求，進行調(diào)整?；颊卟恍枰粍拥娜ミm應(yīng)器材，而是器材去符合患者的需求。隨著科技發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)研究出新型的康復(fù)訓(xùn)練器械，它比起傳統(tǒng)的康復(fù)器械更加自動，更加可控，更加智能。[4]

1.3 人機界面的優(yōu)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(dǎo)性，使康復(fù)訓(xùn)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(fù)雜的問題也盡可能把答案限制在范圍較少的答案集合。優(yōu)點是易用，易學(xué)，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(yōu)點是易學(xué)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(nèi)自由移動光標(biāo)填寫所需要的信息。優(yōu)點是：直觀，方便，自由度高。缺點是擠占屏幕空間，設(shè)備要求較高，用戶需要進行訓(xùn)練。（4）命令語言界面：用戶按照系統(tǒng)所規(guī)定的邏輯輸入命令給系統(tǒng)，系統(tǒng)完成命令所規(guī)定的功能，并顯示結(jié)果。優(yōu)點是：效率高，靈活性高，不擠占屏幕空間，精確。缺點是：需要經(jīng)過較多的用戶培訓(xùn)，語法規(guī)則要求較高。

以上幾種交互界面可以相互結(jié)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(shè)計應(yīng)盡量簡單，培訓(xùn)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(yīng)該盡可能使用圖形圖標(biāo)表達。

2 人機接口與康復(fù)訓(xùn)練器械

2.1 康復(fù)訓(xùn)練器械在人機接口中的應(yīng)用

世界上首臺微處理器的運動康復(fù)訓(xùn)練器是德Medical 公司1993年開發(fā)的，首臺具有對稱反饋訓(xùn)練的電機驅(qū)動訓(xùn)練智能康復(fù)器于1997年研制成功，具有平衡訓(xùn)練功能的對稱性主被動智能康復(fù)器于2005年又推出。這種智能康復(fù)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(shè)計的一款康復(fù)訓(xùn)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(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便等優(yōu)點。

Ramon de la Rosa等人提出了UVa-NTS（巴利阿多里德大學(xué)神經(jīng)肌肉訓(xùn)練系統(tǒng)），是采用了人機界面系統(tǒng)的基于EMG和MMG信號的多功能和便攜式神經(jīng)肌肉訓(xùn)練系統(tǒng)。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(dāng)代社會中殘疾人最常用，最重要的人及系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)基于EEG（腦電圖）的RHC控制器，自適應(yīng)DA轉(zhuǎn)換器和BMI構(gòu)成。

2.2 輔助性人機接口

康復(fù)訓(xùn)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(shè)計了不同的輔助人機接口，如幫助患者穩(wěn)定站立和正確行走步態(tài)的下肢康復(fù)訓(xùn)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(shè)計下肢功能障礙康復(fù)器械時，必須解決以下問題：（1）仿生學(xué)和人體工程學(xué)是步行康復(fù)器械的設(shè)計必須建立的基礎(chǔ)，并具有身材的兼容性，設(shè)計出的產(chǎn)品適用性比較強， 尺寸及其結(jié)構(gòu)應(yīng)具有可調(diào)節(jié)性。（2）對于這些下肢殘障患者， 必須固定下肢康復(fù)器械相互對應(yīng)的位置的其膝關(guān)節(jié)和兩腳處，其下肢發(fā)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(fā)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(xùn)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(fù)器械，人機接口運用于的康復(fù)器械應(yīng)強調(diào)其安全性。所以在設(shè)計上，放在首位的是更應(yīng)該強調(diào)設(shè)計過程中的安全系數(shù)。安全性包括使用材料的安全性、功能識別安全性、康復(fù)器結(jié)構(gòu)的安全性以及外觀形態(tài)安全性等。[6]在設(shè)計康復(fù)訓(xùn)練器械時要保證其結(jié)構(gòu)強度，采用人體工程學(xué)原理。選取可拆卸式設(shè)計，簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)使產(chǎn)品重量減輕，保證功能和結(jié)構(gòu)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(shù)較大的橡膠墊，以防在使用時意外的發(fā)生。在操作上，嚴格按照人體工程學(xué)以及人體器官的正?；顒臃秶?guī)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(chǎn)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(wěn)定對稱的形態(tài)。設(shè)備必須裝備警報裝置，在發(fā)生危險時發(fā)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(jié)

目前，人機接口方案越來越對地運用于康復(fù)器械，經(jīng)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(fù)訓(xùn)練器械的安全性，也考慮了新設(shè)備在使用時的可操作性，[6]已經(jīng)基本完成了康復(fù)訓(xùn)練器械與人機接口相結(jié)合，解決了康復(fù)訓(xùn)練過程中出現(xiàn)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(xué)在家用健身車設(shè)計中的應(yīng)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(fù)訓(xùn)練器材的人機接口設(shè)計[J].中國組織工程研究.2014.18（3）：488-492

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

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

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