張洪峰, 焦永亮, 李博, 徐桂勇, 劉瑋佳
(煙臺市殘疾人事務(wù)綜合服務(wù)中心, 煙臺 264000)
長期以來,國家對殘障群體都給予了支持、關(guān)懷、鼓勵和幫助。如今,殘障群體的生活質(zhì)量不斷提高,他們對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)法彌補人體各方面功能。在《殘疾人輔助器具分類和術(shù)語》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、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年美國人Jim Reswick提出康復(fù)工程開始,康復(fù)輔助技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了50年的發(fā)展歷程。在社會發(fā)展和科技進(jìn)步的過程中,康復(fù)輔助從假肢安裝、矯形器安裝等簡單技術(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、無障礙環(huán)境改造,以及功能評定與檢測和康復(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)一般具備運動、視聽、呼吸、吞咽、交流等機能及心理健康、日常生活活動能力等多項功能的輔助作用。目前,各類康復(fù)輔助設(shè)備如助聽器或人工耳蝸已經(jīng)能夠有效提高患者的語音識別率、空間定位能力、聲調(diào)識別能力及音樂和情感感知能力[4];可穿戴步態(tài)輔助技術(shù)可以對老年及腿部殘疾群體實行防摔倒保護(hù)[5];各類機械手臂能夠為上肢殘缺患者提供便利[6];周圍神經(jīng)人機接口也受到了越來越多的醫(yī)師及科研工作者重視[7]。
近年來,隨著大數(shù)據(jù)時代的到來和人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展,智能化延伸到各個領(lǐng)域,包括機器人、語音識別、語言翻譯、自然語言處理、圖像識別、機器視覺、自動駕駛和專家系統(tǒng)等[8-10]。而智能康復(fù)實現(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)、計算機技術(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。在當(dāng)前技術(shù)背景下,智能康復(fù)機器人在輔助評估、輔助訓(xùn)練、輔助恢復(fù)等方面蘊藏巨大潛力,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,充分驗證了其臨床康復(fù)的有效性,具有十分顯著的醫(yī)療實用價值??梢?,在人工智能不斷發(fā)展成熟的趨勢下,其在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用空間不斷擴展,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,針對國內(nèi)康復(fù)輔助技術(shù)方面存在的問題提出相應(yīng)的可行性的解決方案。
康復(fù)輔助設(shè)備一般具備殘疾輔助、功能恢復(fù)治療、減輕勞動強度等能力,以下將從康復(fù)機器人、可穿戴康復(fù)輔助設(shè)備、神經(jīng)康復(fù)與人機接口三個方面對其進(jìn)行總結(jié)討論。
康復(fù)機器人屬于醫(yī)療與機器人技術(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動功能,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、下肢運動功能缺失。代表性的上肢康復(fù)產(chǎn)品包括:麻省理工學(xué)院的MIT-Manus機器人、蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的ARMin機器人、意大利的TechnoBody上肢康復(fù)機器人以及瑞士Hocoma公司開發(fā)的Armeo Power系列康復(fù)機器人等[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],可以實現(xiàn)單關(guān)節(jié)的運動,也能夠完成多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的訓(xùn)練,同時配備多種主動或被動形式的康復(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,實現(xiàn)對身體軀干的支撐提拉,使得使用者可以保持直立行動的姿態(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)品還包括德國的LokoHelp[20]、美國的Robomedica[21]。圖1展示了部分產(chǎn)品的使用場景。
圖1 康復(fù)輔助機器人使用場景Fig.1 Using scenarios of rehabilitation assisted robots
上述部分產(chǎn)品已形成一定的市場規(guī)模,為患者提供了幫助,但是多數(shù)設(shè)備仍存在人機適應(yīng)上的缺陷以及造價昂貴等問題。另外,與國際產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度相比,中國的康復(fù)機器人發(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。
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多萬人恢復(fù)了聽力,并改善了大多數(shù)人的語音感知能力[22-24]。在中國,北京協(xié)和醫(yī)院于1979年研制出單通道人工耳蝸;1980年完成了國內(nèi)第一例人工耳蝸植入手術(shù),1995年5月,完成國內(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、機器人輔助人工耳蝸植入等,2012年北京協(xié)和醫(yī)院在中國首次植入聲電聯(lián)合刺激人工耳蝸,雙側(cè)人工耳蝸植入研究也位于中國前列[25]。助聽器屬于聽力障礙者常用的可穿戴輔助器具,現(xiàn)階段的助聽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]。
穿戴式外骨骼機器人是近些年發(fā)展起來的康復(fù)器具,靈活性和空間拓展性是可穿戴的基本要求,這類器具對人體運動能力具有一定的延伸、補償甚至超越的功能?;谕夤趋赖目纱┐魃现祻?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動功能快速恢復(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)計的一種可穿戴上肢康復(fù)設(shè)備[30],其蝸輪蝸桿、齒輪機構(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,且此可穿戴設(shè)備同時能固定到支架上或者座椅上。為輔助患肢進(jìn)的高強度標(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)機器人,此輔具方便穿戴,設(shè)備運動自由度和人體運動自由度同軸,能夠有效地對患肢前、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)。在國外,最具代表性的可穿戴輔助機器人是哈佛大學(xué)Walsh團隊的Soft Exosuit[32],該產(chǎn)品利用到氣動人工肌肉技術(shù),對髖、膝、踝關(guān)節(jié)進(jìn)行運動輔助,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器人,如圖2所示,有利于關(guān)節(jié)靈活運動,不受到外部結(jié)構(gòu)的限制,實現(xiàn)了更為自由靈活的人機交互。隨著康復(fù)輔助技術(shù)的發(fā)展,以及移動互聯(lián)網(wǎng) 和大數(shù)據(jù)時代的到來,可穿戴醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備、康復(fù)監(jiān)測設(shè)備等將結(jié)合高精尖技術(shù),將成為未來技術(shù)的重要發(fā)展的方向。
圖2 Soft Exosuits 外骨骼機器人[32]Fig.2 Soft Exosuits exoskeletons robot[32]
腦機接口(brain-computer interface, BCI)將人的大腦信號解碼為計算機設(shè)備可識別的指令,將人的神經(jīng)世界和外部物理世界連接起來。在神經(jīng)康復(fù)及輔助醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,人機接口能夠為肢體運動障礙患者各項運動能力的恢復(fù)提供技術(shù)途徑,同時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,即使是完成一項簡單的抓舉任務(wù),神經(jīng)在控制肌肉收縮或放松的過程中都要經(jīng)歷復(fù)雜的神經(jīng)沖動產(chǎn)生過程,相較而言大腦的結(jié)構(gòu)及運轉(zhuǎn)方式更為精妙,所以人機接口的實現(xiàn)對人類來說注定是一項極為艱巨的挑戰(zhàn)。
歷史上,奧地利Graz大學(xué)應(yīng)用BCI技術(shù),控制電信號刺激幫助手部活動障礙病人完成抓杯、舉杯、倒水入口的連續(xù)動作,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)計一種將腦機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)自己的運動意愿控制殘肢運動的。其實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能以95%以上正確率分析人的運動意圖,控制功能性電刺激儀完成預(yù)定的刺激任務(wù),恢復(fù)手部抓握動作[36]?!吧窆ひ惶枴比鐖D3所示,是天津大學(xué)神經(jīng)工程團隊于2014年研制的首臺可用于全肢體中風(fēng)康復(fù)的神經(jīng)機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)在患者體外搭建了一條人工神經(jīng),能夠解碼患者的運動康復(fù)意念,并依此利用電刺激技術(shù),驅(qū)動多級神經(jīng)肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的動作。該系統(tǒng)在運動康復(fù)訓(xùn)練的同時,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”原理圖[35]Fig.3 Schematic diagram of Shengong No.1[35]
近年來,基于腦機接口技術(shù)的康復(fù)醫(yī)療事業(yè)深度發(fā)展。例如,Simeral等[37]利用無線發(fā)射器替換了以往大腦神經(jīng)信號傳遞所用電纜,實現(xiàn)一種針對四肢癱瘓患者使用的腦機無線皮質(zhì)內(nèi)接口。隨著人工智能的繁榮,結(jié)合智能算法的腦機接口技術(shù)[38]有望使基于人機接口康復(fù)輔助技術(shù)獲得更大的進(jìn)步。
目前基于人機接口的康復(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、各醫(yī)療技術(shù)單位等競相發(fā)展的對象,具有十分廣闊的市場。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、機器學(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。
智能輔具一般是在假肢、矯形器、輪椅、移動輔具、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”國家科技主管部門確立了積極推動智能輔具研發(fā)的重大科研目標(biāo)開始,康復(fù)輔具的智能化進(jìn)程得到良好發(fā)展,部分項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別功能,可以根據(jù)步速、步幅、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)對關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行調(diào)整,這種自適應(yīng)性能對改善步態(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,其中微機模塊是主要的分析控制模塊[39]。
圖4 假肢關(guān)節(jié)微機控制系統(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別分析能力,在人機的相互適應(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)的手勢識別算法,可用于自動駕駛場景,其實驗結(jié)果表明,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛車輛的實時人體手勢檢測,平均檢測準(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相機人體檢測映射到深度信息的點云上,構(gòu)建代表人體的3D包圍,并使用最先進(jìn)的二維激光檢測技術(shù)實現(xiàn)精度提升。
輪椅是殘疾輔助工具中最為常見的一種,對其智能化改進(jìn)將給用戶帶來更好的體驗感,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制相結(jié)合提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和控制精確度。長春理工大學(xué)王淑坤等[43]設(shè)計了一種多功能智能輪椅,其仿真結(jié)果表明該設(shè)計在行駛速度、承載能力、爬坡角度等方面符合國家標(biāo)準(zhǔn),且輪椅的環(huán)境感知模塊、人機交互模塊支持自主避障和語音控制等功能。
按功能來劃分智能輔具,其種類相對比較多,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與某種或者某幾種功能來設(shè)計,其智能化程度相對不高,自適應(yīng)能力往往欠缺。
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。對于一直以來給患者帶來嚴(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)展開辟了一條極具前景的治療康復(fù)道路。國外方面,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,被用來評估神經(jīng)退行性疾病。該研究開發(fā)了一個基于聽覺、嗅覺、運動和運動意象的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),采用了雙向長短時記憶(bidirectional long short term memory, BLSTM)網(wǎng)絡(luò),以評估認(rèn)知功能并確定其與大腦信號特征的關(guān)系,并且使用了小波分析方法對誘發(fā)信號進(jìn)行分解,計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。在實驗中,作者同時還比較了不同的深度學(xué)習(xí)模型對時間序列數(shù)據(jù)的分類和預(yù)測能力。實驗結(jié)果表明,利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-雙向長短時記憶(LSTM)模型,原始腦電信號預(yù)測腦卒中的準(zhǔn)確率為94.0%,F(xiàn)PR(6.0%)和FNR(5.7%)較低,對腦卒中的預(yù)測具有較高的置信度。由于保健技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的研究試圖提前預(yù)測和分析某些疾病。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。Choi等[45]提出的基于深度學(xué)習(xí)的實時生物信號預(yù)測系統(tǒng),可用于老年人中風(fēng)或腦卒中等疾病的預(yù)測。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),而無需使用腦電圖的頻率特性。同時實驗結(jié)果證明了非侵入性方法的可行性,與其他測量技術(shù)相比,這些發(fā)現(xiàn)有望顯著改善腦卒中早期檢測,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。隨著計算能力的提高,深度學(xué)習(xí)、人工智能將越來越多地用于臨床環(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,最終能夠開發(fā)出高度準(zhǔn)確和可靠的工具來幫助產(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)用正被國際醫(yī)療、衛(wèi)生、健康等機構(gòu)所關(guān)注,與之相關(guān)的項目也正在被更多地建立和更深入地研究。中國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),依靠腦機接口、機器人、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)實現(xiàn)功能重建訓(xùn)練,恢復(fù)患者各項功能和提高生活質(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)合診療實踐數(shù)據(jù)庫和人工智能技術(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)的腦機接口(BCI)技術(shù)檢測患者運動想象程度,通過虛擬現(xiàn)實(virtual reality, VR)技術(shù)展示患肢運動,能幫助患者更好地想象、觀察患肢運動,其試驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)具有可行性。
總的來說,國內(nèi)外針對腦電分析的康復(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階段,具有廣闊前景也面臨巨大挑戰(zhàn)。
針對靈活多樣的物聯(lián)網(wǎng)需求,5G國際技術(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,可同時支持中低頻以及高頻頻段。因此,5G技術(shù)形成了針對中低頻和高頻設(shè)計的統(tǒng)一的理念方案,可支持百兆的基礎(chǔ)帶寬,同時滿足覆蓋需求和容量需求,并能在熱點區(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,低密度奇偶校驗碼)和Polar新型信道編碼理論得到了應(yīng)用,具備更強大性能的大規(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)低時延、高可靠的性能[51-52]??偟膩碚f,5G技術(shù)具有以下幾項關(guān)鍵特性:①峰值速率可達(dá)10~20 Gbit/s,對于大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸如高清視頻、虛擬現(xiàn)實等有很大優(yōu)勢;②接口時延可低至1 ms,為像自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療這類實時性要求高的項目提供了技術(shù)支持;③設(shè)備連接能力超高,物聯(lián)網(wǎng)通信支持百萬連接每平方千米的密度;④支持連續(xù)廣域和高速移動下的信息傳播。
受醫(yī)療資源分布及患者就醫(yī)觀念等的影響,三級醫(yī)院往往負(fù)荷過重、康復(fù)體驗差,許多優(yōu)良康復(fù)資源被嚴(yán)重浪費;另一方面,優(yōu)質(zhì)醫(yī)生多集中于大中城市的高級別醫(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,在分級制度推進(jìn)建設(shè)的過程中,各康復(fù)機構(gòu)沒有實現(xiàn)高效快捷的信息共享,對于這一問題除了有康復(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、加深地域互通和機構(gòu)就診信息共享程度、推動康復(fù)資源縱向流動等的問題上,5G通信技術(shù)可提供強有力技術(shù)支撐。其中以5G技術(shù)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程培訓(xùn)、遠(yuǎn)程會診、遠(yuǎn)程手術(shù)等服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)二、三級醫(yī)院和地方康復(fù)衛(wèi)生機構(gòu)的技術(shù)分享,對整體醫(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)在時空范圍上的限制,促進(jìn)康復(fù)輔助資源線上流動;在患者的診斷、監(jiān)護(hù)、治療等諸多方面,為基層醫(yī)療機構(gòu)、地方康復(fù)部門等提供多項信息化的遠(yuǎn)程輔助服務(wù),進(jìn)而彌補地方醫(yī)院在診療技術(shù)、醫(yī)療水平方面的欠缺,同時降低康復(fù)支出,使得一部分患者在享受優(yōu)質(zhì)診療服務(wù)的同時承擔(dān)較少的經(jīng)濟壓力。概括來講,5G通信技術(shù)使康復(fù)診療資源非平均分布問題在很大程度上得到緩解,其資源開放以及健康康復(fù)服務(wù)創(chuàng)新理念,對平衡大中城市與地方康復(fù)機構(gòu)的資源供給、彌補基層康復(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,移動邊緣計算(mobile edge computing, MEC)技術(shù)是實現(xiàn)5G低延遲和提升帶寬速率等的關(guān)鍵技術(shù),同時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[53-56](圖5)。MEC技術(shù)可以為康復(fù)機構(gòu)內(nèi)部、機構(gòu)之間的互動,提供高性能、定制化、差異化的無線通信服務(wù)。對于規(guī)模較小的康復(fù)機構(gòu)或單院區(qū)的場景,MEC可實現(xiàn)流量的本地卸載,將信息下沉到本地主機,保證數(shù)據(jù)的隱私性、安全性;針對較復(fù)雜的場景如跨部門組建、跨機構(gòu)建設(shè),MEC的實現(xiàn)可考慮在總部的主機匯集中心或者運營商骨干機庫進(jìn)行核心部署,主要為各子機構(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)機構(gòu),避免途徑運營商公網(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)健的運行環(huán)境并降低運營成本,康復(fù)機構(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,針對這種形勢,更適合采用將專屬MEC部署在運營商機房的方案,可減輕部分運營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)搭建及運營的成本,但同時也存在著數(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)所運用的射頻識別、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,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,信號處理,模式識別和自動控制等。物聯(lián)網(wǎng)是一種集成空間,實現(xiàn)了現(xiàn)實與虛擬世界的融合,所有的對象、資源、物體都能夠通過互聯(lián)網(wǎng)獲取,各種服務(wù)也能夠結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)來提供;可面向龐大的客戶群體及各類個性化服務(wù)需求,解決現(xiàn)實世界各種應(yīng)用環(huán)境中所存在的問題。在統(tǒng)籌計算、服務(wù)、社會資源,實現(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)大批量的個性化要求與服務(wù)之間的有機映射,甚至能夠根據(jù)應(yīng)用場景的變化,進(jìn)行康復(fù)服務(wù)的自主調(diào)整[57-60]。
面對爆炸性增長的行業(yè)數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)技術(shù)相較于傳統(tǒng)計算技術(shù)具有更強大的分析能力,可對海量的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,從而經(jīng)濟,高速的捕獲、發(fā)現(xiàn)最為有用的信息。大數(shù)據(jù)處理過程一般包括數(shù)據(jù)抽取與集成,即基于大數(shù)據(jù)提取關(guān)系和信息實體,經(jīng)過關(guān)聯(lián)、聚合之后,采用統(tǒng)一定義的結(jié)構(gòu)來存儲和解析數(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。傳統(tǒng)分析技術(shù)如數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計分析等方法,易于收到數(shù)據(jù)之中噪音成分的影響,但新型的機器學(xué)習(xí)算法可以根據(jù)在實時性和準(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。康復(fù)行業(yè)形成多模態(tài)數(shù)據(jù),如視頻,傳感器信號,可穿戴設(shè)備等數(shù)據(jù),這方面可結(jié)合云計算和云存儲資源,為大數(shù)據(jù)分析提供了有利的算力保證。
從當(dāng)前形勢來看,康復(fù)行業(yè)將來必然要大量使用視頻監(jiān)測系統(tǒng)。未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng),將不再是簡單地安裝和配置攝像機進(jìn)行視頻信號采集。而是形成一套智能視頻平臺,融合各種不同的場景,將各類新型技術(shù)如人臉識別、車牌鑒別、穿戴識別、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,可實現(xiàn)對康復(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還能夠支持360°的全景拍攝,實現(xiàn)高清采集、永久存儲和實時分析。典型的應(yīng)用場景如將監(jiān)控服務(wù)與業(yè)務(wù)體系相結(jié)合,根據(jù)模式識別或人臉識別結(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,移動護(hù)理的各類場景需要短時延來提供良好的護(hù)理體驗,而5G技術(shù)能滿足網(wǎng)絡(luò)的時延和帶寬需求,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的移動康復(fù)輔助服務(wù)。例如,在醫(yī)院日常的查房護(hù)理過程中,5G網(wǎng)絡(luò)提供的高清音頻、視頻幫助醫(yī)護(hù)人員實現(xiàn)實時無卡頓的溝通,并可實現(xiàn)移動化采集康復(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)輔助過程中及時發(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5G專網(wǎng)來高效有序完成。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]。
在技術(shù)方面,傳感、導(dǎo)航、避障、人工智能、虛擬現(xiàn)實、機器人控制、人機接口等技術(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。盡管在價格、智能化程度等方面康復(fù)輔助技術(shù)并沒有滿足人們的所有想象,但在不斷創(chuàng)新和發(fā)展的過程中,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、實用性的產(chǎn)品將給用戶帶來巨大利益。相比歐美發(fā)達(dá)國家,在康復(fù)輔助技術(shù)的開發(fā)進(jìn)展上,中國雖起步較晚,但得力于國家大力支持,發(fā)展勢頭良好、速度迅猛,取得了長足進(jìn)步,尤其對于BCI的研究,其在民用、國防、航天領(lǐng)域都顯示出不俗的研究潛力,而在康復(fù)領(lǐng)域國內(nèi)BCI研究也涌現(xiàn)了一批突出的技術(shù)成果。
目前中國智慧康復(fù)產(chǎn)業(yè)初步發(fā)展,存在著對硬件設(shè)施過于依賴等的問題??梢詮漠a(chǎn)業(yè)鏈角度對中國智慧康復(fù)模式進(jìn)行創(chuàng)新與完善?;緦崿F(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,其利用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對殘疾人、服務(wù)供給方以及智能設(shè)備進(jìn)行有效鏈接以實現(xiàn)線上和線下整合。其中醫(yī)療機構(gòu)方面提供透明的醫(yī)療資源地理分布信息、層級劃分信息和相關(guān)服務(wù),并能夠?qū)⒒A(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、上門指導(dǎo)、預(yù)警檢測等服務(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題,可采用機器視覺、圖像識別及體感技術(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現(xiàn)角色轉(zhuǎn)換,完成肢體動作的直接交互,解決患者有可能面臨的訓(xùn)練完成度不夠及訓(xùn)練動作不到位的問題,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)行實時捕捉和進(jìn)行評測,及時糾正訓(xùn)練不到位的動作,另一方面可有效的實現(xiàn)主動雙向交互,對患者康復(fù)期間煩躁狀態(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,對跨地域、跨機構(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,還可以通過第三方機構(gòu)為殘疾人提供更豐富的增值性服務(wù),從而實現(xiàn)價值鏈的延伸。同時,可以充分發(fā)揮社區(qū)服務(wù)職能,更好的實現(xiàn)線下交互,進(jìn)而更好地服務(wù)并保護(hù)殘疾人。