智能下肢外骨骼康復系統

李葉

看點 大腦重建原理?個性化主動輔助?仿生、輕量、易穿戴、易轉運

腦卒中患者及時有效康復介入可以極大提高康復效果，降低致殘率。丞輝威世下肢外骨骼機器人覆蓋康復全周期，首創腦卒中偏癱從臥位到步態訓練及步態評估的完整智能化解決方案，幫助更多患者恢復行走。

丞輝威世智能下肢外骨骼康復系統根據大腦重建原理，將任務導向練習和智能康復機器人訓練結合，幫助患者協同完成 有控制性的運動功能訓練（臥位訓練、坐站訓練、平衡訓練及步態訓練），通過重復的強化訓練，從而促進大腦中樞神經系統的功能重建。

基于人工智能技術實現意圖偵測，基于機器學習實現個性化主動輔助;適用多種康復場景，云端數據平臺加持，使康復輔助更智能科學;產品仿生、輕量、易穿戴、易轉運。針對于腦卒中等導致下肢運動功能障礙的患者 進行坐站轉移、站位平衡及步態訓練。通過坐站、行走訓練，恢復身體機能，達到步行功能康復效果，幫助患者回歸日常生活和工作。

深圳市丞輝威世智能科技有限公司是一家依托自身優秀團隊和合作伙伴在康復醫療、人工智能等領域擁有雄厚技術實力，專業從事康復機器人、助力機器人和相關高科技產品研發、生產、銷售的國家高新企業。公司研發的智能下肢外骨骼康復系統包含兩款產品，其中的步態下肢外骨骼康復訓練機器人獲得了本年度德國紅點獎，臥式外骨骼康復訓練機器人獲得了本年度的金蘆葦獎。

《設計》?梁余意

深圳市丞輝威世智能科技有限公司?智能下肢外骨骼康復系統設計師，產品經理

《設計》：產品前期調研發現了市場、產品和用戶的哪些痛點？得出怎樣的結論？

梁余意：我們在前期走訪醫院的過程中，發現腦卒中患者在醫院現有的康復環節中的早期階段，康復設備的使用是缺失的，主要的康復效果還是來自康復師的手法的治療，但是我國康復師的缺口很大，并且一天下來康復師需要為8～10位以上的患者進行手法治療，對于康復師而言工作強度非常強。對于患者而言，在腦卒中早期的臥床階段，由于神經回路被阻斷，患側肢體由于無法運動開始肌肉萎縮和痙攣，這也是常見到腦卒中患者患側的下肢比健側下肢更為瘦弱的原因，而康復訓練越是早期介入，患者預后的效果越好。

目前臨床針對腦卒中康復早期患者的常用設備是CPM，這類產品早先主要用于骨科術后等導致的關節腫脹、關節僵硬和靜脈栓塞等患者的關節運動鍛煉。腦卒中在患者臥床階段用該設備僅可以進行屈伸運動的訓練，但CPM只有被動模式，且速度較低，對腦卒中患者伴隨的髖外旋、膝過伸、足內翻、足下垂等缺乏矯正措施。對腦卒中患者在運動過程中誘發的痙攣缺乏監測和處理措施。

對于患者而言，每天做的標準康復動作次數越多、時間越長，對應的康復效果就越好。而且腦卒中患者對于越是遠端的肢體，控制能力越差，需要的康復訓練也相應越多，但是傳統的康復方式以及設備對于遠端肢體的康復關注十分有限。

我們在研發臥式智能下肢外骨骼康復機器人的過程中，考慮到了很多臨床上的特殊情況，例如，我們產品的關節設置是仿生人體的設計，分別對應了人體的髖關節、膝關節和踝關節，在患者使用設備做訓練的過程中就會與自身的運動方式更接近;再比如，我們在踝關節的支具設計上采用了具有彈性型變能力的材料，以及增加了足底支撐點的自由度，讓患者在使用設備時，足踝可以實現在一定程度上跖屈和背屈，還將足拖設計為半掌的形式，這一系列設計的目的都是為了讓患者在使用設備訓練時能夠增強遠端肢體的本體感覺，提升主動康復的意識;再比如，一些年紀較大的腦卒中患者為了防止褥瘡和壓瘡，會睡氣墊床，我們也是考慮到這種場景不同的情況，為設備配備了導軌等附件，幫助醫患在不同的場景和環境中使用。

《設計》：請介紹下產品中所采用的專利設計、技術，及產品的主創設計團隊。

梁余意：我們主創設計團隊由清華大學、哈工大、華中科技、華南理工等知名院校的成員組成，從事機器人和醫療相關行業5～15年，有著深厚的技術積累，目前已經申報的各類專利170余項，設計團隊在人機工程、外觀設計、材質搭配等都有很強的專業能力。

比如，在臥式下肢康復外骨骼產品中，我們采用了人機交互的設計理念，對患者的肌張力進行實時偵測，一旦患者出現由于肌張力過高而引發的肌肉痙攣，設備會立即進行相應處置。我們在產品結構設計中嵌入了高精度的力矩傳感器，對患者當前出力的大小進行監測，當患者出現痙攣現象，力矩傳感器監測到的數值就會出現明顯的異常，此時設備會先停止運動，再慢慢放平患者下肢，有效避免因為持續運動導致痙攣加劇給患者帶來不適。

在步態外骨骼產品中，我們使用了先進的傳感器運動意圖識別技術。腦卒中患者是偏癱病癥，也就是一邊身體是正常的，另一邊身體不受中樞神經系統控制，我們根據這種病態特征，在患者的患側和健側同時布置了姿態傳感器，通過監測患者健側的運動信息，偵測患側的運動意圖，同時采用健側的信息矯正患側的輔助參數設置，達到患側與健側的同步協調運動。

總體來講，兩款產品采用了人機工程學、仿生學、機械設計、傳感器融合算法、機器學習、康復醫學等多學科技術。

《設計》：醫療器械相關的設計有哪些特殊之處？對設計師的素質、材料等方面有哪些具體的要求？

梁余意：醫療器械產品設計的難點在于醫療類產品目前還是功能大于美觀，這也是和消費類產品設計的主要差異點，而且消費類電子的技術相對成熟，我們的產品在市面上沒有太多可以參考的對象。從0到1的過程是需要辛勤付出的，且在從無到有研發產品時，我們需要通過前期的概念圖、手繪圖、效果圖、樣機等方式去和用戶溝通我們產品的理念、技術方式和大致的穿戴形式，才能在產品研發早期就得到用戶及客戶相對直觀的反饋。設計師需要在前期就用具象的方式給團隊一個參考的方向，這樣不同職能的工程師才可以有方向性的指導。另外，產品設計時，人機工程、操作流程、產品形式等幾個方面都是在設計之初就要預埋進去的，這些方式往往會決定最終的產品形態。

智能下肢外骨骼康復系統目前所包含的兩款產品均屬于可穿戴設備，這要求設計師自身對人機工程學研究得很透，才能設計出穿戴舒適、外觀優美、盡可能適應更多人群的設備，因為在醫院的使用場景下，越是操作簡單的產品，越是能夠幫助醫生減輕工作負擔。這兩款康復機器人是針對腦卒中患者研發的，腦卒中患者往往會伴有糖尿病等既往病史，糖尿病患者的皮膚損傷后愈合的時間會更長，同時患者的患側肢體敏感度低，存在有摩擦但是患者感受不到的情況，這就要求設計師在設計與人體接觸的部分時能夠充分考慮到相關情況，設計出盡可能適應大多數人的可穿戴設備。在材料選擇上，我們要求產品的用材符合醫療行業的相關標準，同時滿足舒適性、耐用性的要求。

《設計》：醫用外骨骼設備的設計有哪些特點？本產品的設計難點有哪些？該產品的市場前景如何？未來是否還會繼續迭代？

梁余意：相對于軍用和工業用的外骨骼機器人來說，丞輝威世智能下肢外骨骼康復系統是針對腦卒中患者下肢康復機器人，這三者的設計上有著本質的區別。軍用外骨骼機器人更偏向輕便，適用于奔跑、負重的場景;工業外骨骼機器人會偏向于幫助工人完成特定的生產動作;丞輝威世智能下肢外骨骼康復機器人則是針對腦卒中患者下肢康復使用的醫療設備，例如臥式這款產品是給早期臥床階段的患者使用的，我們針對臥床這個階段設定了不同的康復訓練模式：被動模式、助動模式、主動模式和橋式訓練模式，四種模式的難度和目的不同，配合語音的提示幫助患者進行主動訓練，橋式訓練可以幫助提升患者腰部和下肢的協調性，能夠在患者下地進行行走訓練前提前將協調性和平衡能力提升，這樣能加速患者的康復進程。步態下肢外骨骼康復機器人這款產品則是針對患者開始行走訓練時使用的設備，設備內置的算法會根據患者的步態去幫助患者完成行走過程中屈膝和伸膝的動作，產品的機械設計也會防止患者的膝過伸和髖外旋的情況，同樣的，這款產品也設定了坐站模式、平衡模式、跨步模式、行走模式等幾大模式，覆蓋患者生活中要面對的不同場景，同時也是對應著患者步態訓練這個過程中的不同階段，例如坐站訓練和平衡訓練就是患者剛剛開始下地康復訓練時所需要提升的控制力和平衡力的訓練。

綜合來說，丞輝威世智能下肢外骨骼康復系統是定向針對腦卒中患者的下肢康復訓練設備，主要的功能點也是根據腦卒中患者的特征和常見步態去設計的，是滿足臨床患者康復全流程的康復設備，是幫助患者提升康復效率，縮短康復進程，幫助醫生減輕工作壓力的產品。相對于歐美國家而言，我國康復行業的發展還略顯滯后，目前國家也在逐步推進康復研究和市場進步，也包括政策上的支持。隨著時代和技術的進步，醫療康復外骨骼后續也會朝著小型化、輕量化、柔性化的方向發展和迭代。

《設計》：外骨骼產品的應用場景日益寬泛且常見，丞輝威世設計團隊未來還將開發此類產品在哪些方面的應用？

梁余意：丞輝威世外骨骼著眼于腦卒中偏癱患者，從術后早期臥床期間介入，幫助患者進行臥床階段的康復訓練。通過下肢被動運動、主動運動、抗阻運動、橋式訓練等模式實現下肢肌力的提升，同時避免患者長期臥床形成壓瘡、關節脫臼、髖外旋等不良病態。待患者離床后可以使用步態康復外骨骼，進行坐站、平衡、行走功能訓練。兩款產品形成一個完整康復訓練的閉環模式，幫助患者縮短康復周期，提升康復效果。

但外骨骼的作用不僅如此，可以應用的疾病范圍很廣，以臥式下肢外骨骼為例，還可以應用于有攣縮病癥患者，小腿靜脈血栓預防功能，骨科關節松動康復訓練，下肢肌無力患者康復訓練，步態產品還可用于非腦卒中的平衡功能訓練等多方面病癥。

未來，我們還會開發個人版的外骨骼產品，如幫助失能、弱能人士，通過穿戴我們開發的助力外骨骼產品實現日常生活的自理。同時還會開發適用于老年人的輕量化產品，幫助那些站不起、走不遠、走不動的老人站起來，走得更遠、更輕松。

《設計》：智能下肢外骨骼康復系統是在怎樣的契機下參評的金蘆葦獎？獲獎給產品及企業帶來怎樣的影響？

梁余意：丞輝威世的智能下肢外骨骼康復系統目前有兩款已經面世的產品，其中步態下肢外骨骼康復訓練機器人參評了2021的德國紅點獎并獲得了醫療與健康組的紅點獎，對于產品本身而言，我們的團隊非常有信心。我們用三年的時間打磨了這兩款產品，并且和中山大學附屬第一醫院等幾大行業翹首緊密合作，相信我們產品在功能定義、人機工程設計、操作流程設計、外觀設計等方面都足夠優秀，也正是如此，我們報名參評了今年的金蘆葦獎。評審團強大的陣容和嚴謹的評審態度，讓獲獎的我們倍感榮幸，同時也倍增作為企業的社會責任感。在未來的產品研發過程中，將繼續秉持以人為本、尊重設計、尊重技術的原則去迭代和創新我們的產品。獲得金蘆葦獎對于我們的研發團隊是極大的鼓舞，是對我們過去三年努力付出的肯定，也是對我們產品設計的認可。每一點肯定都會轉化成為我們繼續前進的動力，繼續為做出更加實用、更具人文關懷屬性、外觀更加優美舒適的產品而努力。