单位文秘网 2021-08-28 08:58:59 点击: 次
组织。在上述情况下,基于不同的医疗任务和所能获得的相对优势,“自动化”水平可能会有所不同。例如,尽管机器人能很容易地将针头植入病人体内,但是目前更常见的情况是,机器人负责置入针导,而介入放射科医生负责把针推入针头导轨内进行植入。随着成像技术、组织建模技术和针导向技术的发展,未来的医疗系统很可能变得更加高度集成化,能够更加主动地通过导轨进行针头或医疗设备的植入。上述目标是不能仅仅通过针头导轨使用的自动化而实现。在这些情况下,人们将确定目标、计划或批准拟定路径,同时监督机器人将针头植入目标的过程。
机器人用于取代减弱或已丧失的功能
矫正设备和假肢通过协助的肢体运动与控制,来替代掉已经丧失功能的或残疾的肢体,以此来增加患者的行动能力以及舒适度。这些设备逐渐将机器人技术与神经学整合起来。矫形器可以保护、支持或改善身体不同部位(如脚踝、脚掌、膝盖以及脊柱)的功能。与机器设备不同,传统的矫形器是由专业人员根据病人的成长以及其能力的变化进行调整,其自身不能自动改变辅助的强度和方式。机器人矫形器通常设计成外骨骼的形式,包住了有问题的身体部位,使患者的肢体能够进行自由运动,同时还能提供运动所需的支持。现有的大多数机器人外骨骼都处于实验室阶段,专注于军事应用(例如使士兵在奔跑时背上可以承载很重的负荷)和诊所的康复治疗。这些系统还不便宜,使用起来也并不可靠,还无法用于临床治疗。
假肢是一种通过人工扩展, 把机械设备同人的肌肉、骨骼和神经系统进行融合,取代部分身体功能的器械(该部位通常是受伤时失去了原有功能或是具有先天性功能缺陷)。目前商业化的假肢设备能力非常有限(通常只有开/关按钮),因为它们所依据的信号只是单纯的机械运动与肌电图(EMG,记录身体未受损部位的肌肉的电流活动)。机器人假肢设备旨在完全地模仿已经丧失的肢体或身体的其他部位,通过复制具有很多关节与肢体的人体器官(如人的手掌,具有22个自由度),或通过神经集成的无缝复制,提供直观的肢体控制以及给穿戴者触摸反馈。过去的几年中,假肢技术与神经科学得到巨大发展。下一步的工作是对机器人技术的进一步研究,以改善其功能同时降低成本。
机器人辅助康复与复健
受到神经肌肉相关损伤及疾病折磨的患者,比如具有中风后遗症的病人,将会享受到神经康复所带来的益处。感觉驱动疗法让治疗师或机器人辅助患者进行上下肢运动,让患者重新学会如何进行动作。这项工作费时费力,患者需要缴纳昂贵的医疗保健费用来获得显著的成效。除了纯人工服务外,机器人将是一个可行的选择。
用机器人来帮助神经损伤患者,例如脑中风患者来控制上下肢活动的试验已获得显著的临床治疗效果。这些康复机器人可提供多种不同的机械动作模式,根据患者的实时反应来进行辅助、支撑以及伸展等动作。举个例子,由麻省理工大学研发并且已可投入商业使用的前肢康复机器人能够提高急性与慢性中风患者康复效果。同时,感觉驱动疗法还有一个激动人心的作用,就是它能提升神经学家对人类大脑功能的认知。基于患者康复过程的知识,以及脑部特定区域损伤患者表现出的量化反应,机器人能做出史无前例的刺激-反应记录。为了对机械康复疗法进行优化,机器人及实验需要进一步改进以阐明外部机械力与神经可塑性之间的关系。对此关系的认识能使神经学家及神经病学家洞悉大脑结构,为这些领域的基础研究作出贡献。
除了在康复过程中为患者提供机械性或物理性辅助,机器人还能够提供个性化服务和训练。以服务社会为导向的机器人学着重利用坚固耐用的传感器、摄像头以及其他方式观测使用者行为的方式获取传感数据,为机器人提供使用者的数据,从而使机器人能够合理地激励、激发患者进行可持续的恢复训练。一些早期的工程实践已展现了社会辅助性机器人在中风康复领域的能力,现在正进一步扩展到其他神经康复领域,包括退伍军人经常遭遇的脑损伤以及其它重大交通事故造成的损伤。不考虑长期康复的因素,这种机器人参与的治疗能对短期康复效果产生影响,而医生通常推荐高强度的疗程以达到短期康复效果。举例来说,早期的医务人员曾在心脏病房推广一项疗法,即鼓励病人一小时进行十次呼吸肺活量测量训练来防止感染,加快康复。这样的疗法既可以增加卫生保健工作的效果,又可以为更多患者提供服务,同时还能为病人带来私人化、定制化服务。
行为治疗
康复、复健以及终身性的认知失调、社会失调、身体失调症状需要不间断的行为治疗。这些治疗包括物理的以及认知训练,并且这些训练需要以合理的频率和准确度进行。在所有情况中,训练的强度以及患者的自我效能是康复效果以及将残疾情况减到最轻的关键。然而,根据人口统计数据的预测,需要接受行为治疗的人群正在快速增长(比如孤独症,ADHD,中风,以及创伤性脑损伤)。现在已经缺乏的为行为治疗提供监管及指导的可行的健康服务,会随现在的趋势将进一步减少。
社会辅助型机器人是机器人学中相对较新的领域,集中研发相关类型的机器人以满足不断增长的需求。研究员为社会辅助型机器人开发程序以通过社会沟通而非物理作用来帮助用户。机器人的外形是社会辅助型机器人辅助功效的核心,因为它满足了人类倾向于参与逼真的(但并非一定要形似人或者动物)社会行为的这种与生俱来的特性。人们很乐意将意愿、人格、情感赋予甚至是最简单的机器人,从乐高玩具到iRobot 室内吸尘机器人都是如此。社会辅助型机器人利用人类的这种特性形成社会互动系统来监控、刺激、鼓励、维持用户活动力从而提高人们的活力。因此,社会辅助型机器人能够提高使用者的生活质量,包括老人、认知障碍患者、中风后康复中的患者、患有其他神经运动功能残疾人以及具有社会发展障碍的儿童,比如孤独症患儿。这样,机器人能提高多种人群的能力,而并不仅限于提高行为能力。同时,机器人能够通过拥抱以及增强人与机器人之间的情感联系来提高用户的社会交流能力。
社会辅助型机器人的人机互动是工程、健康科学、心理学、社会科学、认知科学的交叉领域内一个新兴的研究方向。一个高效的社会辅助型机器人必须理解并与其周围的环境进行互动,展现出其社会行为,将注意力以及交流重心集中在使用者身上,保持与使用者的联系互动,最后取得特定的辅助性成果。机器人能够通过社会沟通而非物理沟通完成这一切,其过程安全、道德,能高效地为脆弱的使用者带来帮助。社会辅助型机器人还可能成为儿童、长者、中风患者及其他需要个人化服务的特殊需要人群的治疗工具。
特殊需要人群的个性化护理
具有身体机能障碍、社会障碍或认知障碍的特殊需要人群数量正逐步增长。这些患者的病情可能是逐渐显现的,可能于发病初期就开始显现,可能与年龄有关,其他的则可能发生在任意年龄段,这就体现了不断增长的个性化服务的需求。一些普遍的残疾是先天性的(自出生开始),如脑性麻痹,自闭症谱系障碍,而另一些可能发生在一个人的任意年龄阶段(创伤性脑损伤、中风),还有一些发生在中老年时期,同时会随着生命延长而持续更久(帕金森氏症、老年痴呆症和阿尔茨海默氏病)。在上述所有的情况下,这些病痛将伴随患者终身,需要长期的认知性或物理性支持,需要极大的人力、物力和财力。
物理助行器,包括针对视障患者的辅助设备,到肢体伤残人士使用的工具,从高端智能轮椅,到使用简单、结构稳定的手杖,都能够提高患者接触物品及服务的能力,减少用户孤立和抑郁的可能性,也降低了管理式医疗的需求。用户可根据自己的需要自主调节机器人技术所提供的行动辅助功能,可以选择进行控制的程度,这对残障人士来说是一个关键问题。智能轮椅、引导手杖和交互式助行器只是几个正在被开发的领域的例证。随着老年人口的快速增长,对能使有身体局限性和残疾的人们能在自己家中继续独立地生活的设备需求将会极快地增长。包括战争的退伍军人在内的具有身体残疾的人群,其数量虽然不多,但仍在逐步增长。他们也反向促进上述设备需求的增长。促进独立性的复杂系统,比如那些帮助严重残疾人士进行操纵和移动的机器,以及那些帮助使用者完成如个人洗漱或上下床之类复杂任务的机器,仍处于发展的早期阶段,但其正呈现出快速进展的势头。与此同时,对移动机器人的研究开始从移动推进处理平台的研究,转向了机器人取放家居用品,开门等促进用户能独立在家生活能力的功能性研究。把用户转移到管理式医疗设施需求的延迟显着降低了对个人、家庭、医疗服务提供者的成本和负担,也大大地减小了用户孤独、抑郁以及寿命缩短的可能性。
除了物理或机械辅助,社会辅助性机器人(在上一节有所讨论)为有特殊需要的人群提供了个性化的监测、陪伴、认知驱动和能够促进终身健康的体育锻炼,使他们受益匪浅。
健康促进
有效地预防以及改善病人的康复结果是医疗保健最为基本的目标。虽然健康促进非常重要,但是其受到的关注极少,其拥有的资源远少于健康干预。研究经费,除了在特定的领域(如癌症、艾滋病)有疫苗研究,其重点支持方向为确定疾病的原因和治疗,而不是疾病的预防。然而以预防为主的研究,却能影响健康趋势以及相关的社会成本。
机器人技术正在被开发用来解决健康促进问题。具体来说,无论是青年还是老年,健全还是残疾,业余运动员还是专业运动员,机器人系统都能通过社会或物理交互作用提供个性化的指导和锻炼,其市场具有巨大的应用潜力。可检测生理反应的耐用设备,可以同以电脑为基础的机器人系统进行互动,对于促进个性化健康方案的制定也具有巨大的潜能,同时还可以促进健康紊乱的早期检测和连续评估。在这种背景下,机器人技术将会提供与现有系统(例如笔记本、台式电脑、耐用设备及家用传感器)相互协作的技术,以便平衡跨领域的优势,同时发展出可改善生活质量的可用技术。
路线图规划
物理层面的人机互动与接口
几乎所有的医学分支,从癌症切除手术到中风后的物理疗法,都涉及临床医生和病人之间的交互。机器人可以以三种方式提升疗效:提高临床医生和患者之间的物理交互;安全地帮助医生练习临床诊断及介入技巧;直接护理病人。所有的这些应用都需要为人机之间的物理交互提供直观的界面,并且需要传感、感知及运动等机器人领域核心技术的进步。我们需要大量的传感与感知设备,包括用于记录用户的运动和力量以推断用户意图,创建人体生物力学模型,估计机器人与用户交互的力度。互动的性质意味着,机器人还需要给人类操作者提供有用的反馈,无论那个人是医生或者是病人。除了触觉(力和触觉线索),包括视觉、听觉和其他感觉的系统也必须进行研究。
在与机器人进行物理交互的过程中,人类是闭环反馈系统中不可分割的一部分,同时与机器人系统进行着信息和能量的交互。因此,不能简单的把人类看作是系统的外部输入。此外,循环通常通过人体运动和视觉反馈来闭合,其均有误差和延迟,可能导致人机系统潜在的不稳定性。鉴于这些问题,我们如何保证人机之间交互的安全,直观和有效?有一些方法可用来解决这些问题:对人类的行为以及动力学进行建模;在更多维度上感知人的物理行为;发展机器人的行为,确保无论用户做出任何动作,机器人都能有正确的反应。在过去的二十年中,我们已经在这些领域取得了长足的进步,但是仍然没有现成的系统可以为用户提供一个与机器人在任何医学领域进行物理的互动的理想体验。为此我们提出了五年、十年和十五年的目标,着眼于解决当前任务的不断增加的复杂性和不确定性。
社交方面的人机互动与接口
提供社交和认知支持的机器人开始应用于治疗和康复之中。这些社交辅助机器人能够激励它们的用户追求健康的行为,积极参与治疗方案,并提供一个易于使用的界面。这些机器人可以在很大范围内识别并且显示人类的交际信号,如语音、手势和视觉交流,并建立适当的行为反应来提供有效和丰富的社交互动。他们可以应用复杂的模型来使对话更为具体,包括语言的和非语言的谈话行为,同时解决人类交流中普遍存在的交流缺陷。
社交辅助机器人研究的挑战包括建立精确捕捉人类微妙和复杂社会交流行为的模型。从人类专家抽取的样本来看,这些模型使得机器人可以扮演如咨询师、治疗师、密友和护理人员等角色,并采用不同的策略,如表示权威、同情或鼓励竞争等,都对其用户实现了理想的行为变化。机器人也必须适应复杂的、在日常社交交流中很典型的参与性结构,如团队训练和治疗、理解参与者的角色、跟随议程的变化、对演讲者做出适当的回应、对旁观者致辞等。
关于医疗保健的研究目标是在较长时间内建立和维持与人类的关系。机器人需要的不仅仅是短期的交互能力,而是在数周、数月内维持交际关系,它们的行为需要适应用户的健康状况,并且它和用户间建立的人际关系中应用不同的行为策略。
有效的社交人际交互与其接口的核心能力研究必须遵循以人为本的设计进程,并对利益相关者进行严格的评估。在这一进程中的用户调查,可能会包括早期设计过程中有针对性的健康人群,也会包括由此形成的设计迭代评估,并且延伸到病人、医生、家庭、治疗师和其他社会成员。在该领域中,研究和发展的关键性方法是找到合适的措施成功地实现自然交流,使环境与健康应用的联系真实有效,并研发出对输入到机器人系统中的实时量测信息进行在线评估和学习的方法。
以机器人为媒介的健康沟通
遥控机器人参与紧急手术处理、术后护理以及慢性疾病的长期护理有着重大影响,能够使患者的医生、医疗过程中探望病人的家人与朋友在手术前、中、后以及长期的恢复和护理方案中互相协助。研究人员已经主动地研究使机器人作为媒介用于照顾家庭老人,使得不断减少的医护人员能够应付日益增长的客户数量。以机器人为媒介的健康沟通能显著降低医护费用并且能增加病人接触到最好医疗服务的可能性,同时使得专家能远程进行手术或者进行家庭护理。
启用低成本和高效率的机器人媒介健康沟通,需要机器人研究组织解决很多问题与挑战。现在的远程再现机器人(如Intouch、VGo),仅仅提供视觉和语音通信。我们需要机器人具有操作功能,进行物理交互,如诊断、治疗,甚至安慰病人。因此,在人类环境中,任何机器人自动操作的进步(比如导航和灵巧的操控)也会影响到远程机器人。机器人的遥操作业和远程再现是下一步机器人研究的主要挑战。
远程顾问或者远程协作的体现,与通过笔记本连接的视频会议不同。其通过允许他人浏览环境以获取更多的信息,甚至提供物理的评估,提高了远程临床的有效性。通过比较机器人远程视频,在线实现的健康交流和传统的面对面访问,一个重要的悬而未决的问题是人与人之间交互媒介的效率问题。为远程用户操控机器人设计一个高效的并且直观的界面是另一个尚未解决的挑战。机器人需要与终端用户交互,是一个由人类操控、自主操控或者是两者的某种组合,而提供给用户的接口可能会随着不同的场景而变化。
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