摘要康复工程应包括康复工程学和康复工程产业两个方面。本文论述了康复工程内部以及与其他学科的关系，对本世纪后期，特别是近20年康复工程学中主要领域的研究与发展状况进行了综述，内容包括假肢技术、截瘫助行的原理与方法、功能电刺激、视听功能康复、环境控制系统与护理机器人、人体运动信息检测与临床应用6个方面，对当前存在的需进一步研究解决的问题进行了初步探讨。

中图分类号R496文献标识码A文章编号1007－5496(2000)05－0643－04

State-of-the-arts in rehabilitation engineering science

JIN De-wen

(Tsinghua University, Beijing 100084,China)

ZHANG Ji-chuan.

(Tsinghua University, Beijing 100084,China)

Abstract Rehabilitation engineering should consist of rehabilitation engineering science and its products. The relationship of these two parts and also with other science is expounded. The state－ of－ the－ arts of rehabilitation engineering science during later 20th century, especially in the later 20 years is stated, summering in six main aspects: prosthetics, walking aided, functional electric stimulation, vision and hearing rehabilitation, environment control and rehabilitation care robot, measurement of human movement and its clinic application. Some meaningful subjects need to be investigated are also discussed.

Key Words rehabilitation engineering;prosthetics;walking aided； functional electric stimulation;environment control

20世纪是康复工程从起步到发展的时期，第一次世界大战出现一批伤残人员,促进了假肢行业在欧洲的兴起。第二次世界大战后，康复工程不仅在欧洲，而且在北美、亚洲等地区都有了发展，在内容上，不仅包括假肢，还包括感应装置、环境控制、康复护理、神经康复、功能评价等许多方面，康复工程设施的科技水平也从60年代以后日趋科学化、现代化。总的来说，社会的需求与科技的进步带来了康复工程的发展。康复工程应包括康复工程学和康复工程产业两个方面，前者是后者的基础，后者是前者的归宿。它们之间以及它们与其他学科的关系可表示为：

由此可知，康复工程是现代科学技术与人体康复要求相结合的产物。它的理论基础是人机环境一体化和工程仿生，在此基础上形成了服务于各种康复目的的设施与装置，发展成康复工程产业。20世纪后半期，特别是近20年是康复工程向现代化发展迅速的时期。它的发展可以归纳为以下几个方面。

1假肢技术

假肢是康复工程中发展最早的一个领域，在过去的100年中，经历了由初级到高级的过程。下肢假肢主要是围绕保证稳定性、改善步态和减少体力消耗发展的，尤其是膝关节和假脚更为突出。从仿生机构学的角度来看，膝关节机构由单链发展到四杆机构^[1]，近几年又出现六杆机构膝关节。杆件数目的增加会增加机构的复杂性，但是由于设计参数的增加，能使大、小腿的相对运动以及踝关节的轨迹更逼近正常步态，从而受到青睐^[2]。假肢穿戴者在路面行走是人机环境一体化的动态过程，对该系统的动力学研究是改善步态和提高假肢对环境适应性的基础。人机系统的模型已从简单的残端假肢模型（两缸体、单自由度）发展到把人体包括在内的多缸体动力学模型^[3]。动力学研究表明，在步行的一个周期内，膝关节力矩是变化的，而且变化规律与步行速度、路面状况有关，为了适应这些变化，膝关节力矩应具有可控性。在传统的膝关节中，力矩可以由摩擦力、弹簧力、气动装置、液动装置提供。但它们只能在装配时根据患者情况一次调定。为了适应同一患者不同步行速度时所需膝力矩的模式，日本于80年代初,开始研究用单片机控制的智能型膝关节,于1989年报告了研究成果^[4],历时9年。日本研制的智能膝关节，用光电方式测出患者步行速度,自动选定已存储于单片机内的力矩模式,控制气动阻尼力装置，以适应几种不同的步行速度。我国在智能型假肢的研究中，率先采用了电流变体这种智能材料^[5]。为了提高人体假肢对环境的适应性，德国OttoBock公司最新产品具有对路面小障碍物的识别能力。我国进行了有路况识别功能的智能型膝关节的原理与方法的研究^[6]。

人脚的主要功能是支撑体重，在运动中产生推力和保持姿态，代偿这些功能的假脚在80年代中，发生了革命性变化，储能脚的出现是假脚发展进入新阶段的里程碑。从动力学观点来看，脚在支撑前期储存能量，在后期释放能量，正常人放/储能量的比值大于100％，由于假脚不能产生能量，这个比值总小于100％，储能脚由于特殊的设计和材料，放/储能比一般在50％以上，远比传统假脚高。在储能脚中，尤其是采用高弹性、高强度的碳素纤维复合材料的假脚最高，可高达95％以上^[7]，我国研制的采用玻璃纤维复合材料储能脚能达到80％^[8]。

在上肢假肢的发展中，动作的精巧、准确和控制方式自然是人们追求的目标。具有对被抓取物体形状的适应能力的假手，对握力和温度感觉反馈功能的假手^[9]均取得一定进展。肌肉电信号控制假手，由于可与人的意念相一致而受到人们的重视，在单自由度假肢中得到广泛应用。在多自由度假肢控制中，准确率不高是一直困扰康复工作者的一个问题，由于多自由度假肢适用于高位截肢者，可利用的信息源少，解决的方法之一便是进行残端再造，开发新信息源^[10]。另一个途径是研究人体关节运动的协调关系，建立“协调元空间”，以减少系统的自由度^[11]。

假肢技术中，接受腔是人机接口界面，直接影响使用的舒适、安全和效果，对接触面的力学分析是合理地、科学地设计界面形状的基础，有不少学者致力于界面力学模型的研究。有限元法是较普遍应用的方法^[12]，但人体组织建模还有待进一步研究^[13]。在接受腔的制作技术方面，现代制造中的CAD/CAM系统从80年代后期开始用于接受腔制作，首先是英国伦敦大学研制的UCL系统，以后美国、加拿大等国也研究了自己的系统。此类系统都用非接触方法测量残端形状，能自动生成接收腔制作文件，并有三维图像显示，还可根据专家经验对数据进行修改，以达到更好的效果^[14,15]。近几年，随着信息科学的发展，此类系统已开始与网络联接，实现远程制作。

人机接口方面，一个十分重要的发展是骨植入装配技术的出现^[16],它摆脱了传统的接受腔方式，将人工骨植入人体，一端与残端的骨骼相接，另一端与假肢联接。这种方法由于没有接受腔而舒适性好，并且运动范围也因没有接受腔限制而加大。此外残端软组织不承受力，从而使受力状态也更为合理，目前在瑞典已有成功的病例，但仍然有不少问题有待解决。

2截瘫助行的原理与方法

使截瘫患者从轮椅上站起来，是患者与康复工作者的梦想，他们也为此付出了艰辛的劳动。最基本的方法是自动力式步行器，或称活动矫形器、交替步态矫形器(Reciprocating Gait Othosis,RGO)^[17]。由于站立和行走具有预防肌肉挛缩,减少骨矿物质损失和改善血液循环等优点,近年来国内外,对步行器的研究与实验已成为新的热点,在英国和美国均形成了产品。

自动力式步行器的原理是当患者穿上这种矫形器后,利用手杖或其他助行装置使身体向一侧前方倾斜,在另一侧形成脚与地间的间隙。由于在髋关节处装有摩擦力很小的铰链,腿部在重力作用下,可向前迈一小步。在髋关节和膝关节处均装有锁紧装置,以保证支撑腿的稳定性。当患者坐下时,只将膝关节在适当位置锁紧。自动力式步行器存在的问题是，步行时体力消耗大,因此不宜长时间使用。

采用功能电刺激的方法交替刺激多块肌肉，使患者步行的方法已进行了多年研究。80年代以来,一个重要的趋势是将功能电刺激与活动矫形器结合起来的混合式交替步态矫形器(Hybrid RGO)^[18]。这种装置在患者向前迈步时,利用功能电刺激大腿肌肉,使腿摆动,以节省体力。美国甚至正在研究将这种步行器用于完全截瘫患者以及实现上下楼梯等功能^[14]。在节省体力方面，日本和英国还研究了利用气动装置的截瘫步行器。它可以在支撑期时，利用身体压缩气体、储备能量以帮助腿摆动。

外动力式步行器是利用电机驱动活动矫形器，实现腿的摆动，这不仅可减少体力消耗，还可以利用适当的机构，使膝关节在摆动期适当屈膝，以提供脚与地之间足够的间隙，使步态更趋自然^[19]。外动力式步行器还可采用肌电信号控制，实现患者的自主控制。

虽然步行器的研究已取得很多成就，轮椅仍然是主要的、普遍采用的代步工具。轮椅的基本功能是使患者利用上肢的能力实现移动，具有这种基本功能的轮椅品种很多，但从全面康复的角度来说,只代替平地行走的功能是很不够的。近年来围绕轮椅的功能和生物力学性能在国内、外开展了许多研究。主要有:(1）具有各