设计工程师们缔造医学奇迹

2008-07-13 18:29:59来源: 设计创新网
  伊拉克战场退伍的老兵因为战场路边的手雷炸丢了手臂, 他们期盼着能像正常人一样行动;中风患者期望麻痹的肢体能再次复员;外科医生试图找到安全的办法来给活人的心脏实施手术……
  设计工程师们同医学专家合作, 使用尖端的运动系统共同设计解决这些难题的方法。例如约翰霍普金斯大学的工程设计师们正在进行领先世界的仿生手臂的研究。
  在马萨诸塞州,两位年轻的麻省理工毕业的工程师设计了一种马达支架能够让中风患者的肌肉得以再次训练治疗。在位于匹兹堡的卡内基梅隆机器人研究所,一位工程设计专家设计出一种微型机器人能够真正穿透心脏进行医学治疗。
  所有这些系统,正如以下这些过去的案例所展现的,先驱研究者们提高了运动控制刺激以及传感技术水平,这些技术能够帮助患者改进治疗方法,同时让工程师们应用在其他领域。
  仿生学奇迹:2009年假肢术的彻底变革
  在美国马里兰州劳雷尔市的约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)中,Stuart Harshbarger博士和他的小组正在进行一个所有工程师都觉得不可能完成的项目研究:设计一种仿生臂,让它的外观,感觉以及行动都和人类的手臂一样。
  在美
国国防高级研究计划署(DARPA)4000万美金财力的支持下, 到2009年底,APL以及30个来自学术界、政府以及行业内的合作伙伴试图一起尝试开发出这样的神奇手臂。这项发明的最大受益者是:从2003年伊拉克战争爆发以来,众多接受了肢体切断手术的退伍老兵们。事实上,从事这个项目的工程师之一Jonathan Kuniholm——在伊拉克战争中曾是一名海军士兵,他的右臂从肘部以下锯掉了。
  “2009年假肢术变革” 项目于2005年启动,在最初的18个月里,已经开发出两代产品,探索出一系列交互刺激和控制方案,同时为全球设计小组构建了虚拟设计环境。


身为工程师兼前海军退伍士兵Jon Kuniholm 称它为:“内在手”,在8 月召开的
DARPA技术交流会上,它是由2009 术变革小组展示的两个原型II 代设计产品
之一。约翰霍普金斯大学应用物理实验室正在领导世界最先进仿生手臂的设计。

  到8月份,设计小组在美国国防高级研究计划署DARPA的技术交流会上,揭开了两种不同原型II代设计的面纱。每个原型都包含25°运动自由性以及与人类手臂性能接近的强度和行动速度。同设计小组的原型I代相比,I代只有8°的运动自由性,但是仍然胜过了所有先前的仿真设计,II代采用了马萨诸塞州Liberating Technologies公司先进的仿生手臂技术。(http://designnews.com.cn/0805-701.aspx)
  “这是比我们在Liberating Technologies公司组装的6马力手臂更完美的设计版本。”西北大学生生物医学工程部研究科学家及教授Richard Weir说道。“构建在Bus总线结构上,它的电子技术更加复杂,而不仅仅是最初设计采用的中心控制器。”Harshbarger补充道,“最终仿生手臂设计与真人手臂的最大不同,它是完全自给自足的,所有的零部件和电源都包含其中,甚至重量也可与人手相媲美——大约7磅重。”
  原型II代产品一瞥
  在接下来的两年内产品的设计将会进入最后阶段,设计团队将会采用已经在原型上使用过的最好的技术,同时引入原来产品没有的新概念。
  原型II设计包含了一种“外来设计”,所有的刺激来源于前臂,与国内解剖学类似,同时“内在手”的刺激部件都安装在手以及手腕上。原型II代的“内在手”手以及手腕的灵活度为18°,每个内在手由定做的8W无刷微型电机来驱动。


原型设计的CAD模型展示了抓握的动作。两种原型
II 设计都具备25°的运动自由性。

  “即使满足所有的驱动力,扭距,以及合适的电机,制造出与美国国防高级研究计划署DARPA所希望的与真人手臂一样大小和重量的人造肢仍是一项不小的挑战。”位于美国弗吉尼亚州维里得理克斯堡的新世界联合公司Tom Van Doren说道。“我们必须专注于诸如设计完全符合假手手指的电机控制器。”
  工程师用一个10分硬币大小的柔性电路缠绕在手指上,然后加载4A电流。电路板同时安装了一个微处理器,负责所有无刷电机,定位传感器以及动力传感器的数据运算。
  配合三支手指,有三台电机,三个控制器,微型转换组建如离合器和球螺杆传动器。在膝关节处,你会发现电机与旋转离合器,安全带驱动器,以及高频率驱动器。
  “这就像是工匠制造手表的原理一样,”Van Doren对奥地利Otto Bock设计公司的小型机械设计很有信心。


原型II的设计之一,内在手,需要大约1000个零部
件,内含微电机以及微驱动器组,结构类似于手表
工匠的技艺。

  替代的原型II设计——“假体手”——被称为“cobot”,是一种安装在前臂的圆柱形假肢,包含绝大多数关键的假体零件。Cobot内一个单独定做的40W无刷电机输出值为15,连续变化的传输数据信号拉动14条“肌腱”,这些“肌腱”是由Honeywell公司生产的高强度、绝缘外壳的光谱纤维材料制成。肌腱的其中三条连接手腕,剩下的连接手掌。还有一条旋转输出信号来控制手腕转动。
  “从积极的观点来看,这种设计的机械电阻同人手很接近。”Van Doren说道。“从消极的观点来看,这种假体肌腱很容易受损。”
  Northwestern公司的
Weir补充道,“假肢的设计也带来的巨大挑战,因为你必须控制多种CVT来保证运动的连续性。”


在假体原型中,多数的关键零部件都安置在 前臂的
“cobot”里面。这个设计连续输出值为15,可控制
假肢肌腱以及手腕运动。

  不同设计概念中的电子设备也很复杂。在早期的原型里,位于手臂上端的中心电机控制电子设备,可以进行电机控制,同时接受关节部位定位传感器信号,它需要承受瞬时间内26安培的电流。
  原型II的设计当中,有大约25个微处理器以及80个触觉感受器安装在手指末端以及手掌上;另外在手指关节和肢体较大关节处安装有定位传感器。这些仅仅是最终设计里更复杂的感觉反馈功能的构成基础。
  APL公司控制理论专家Michael Bridges称肢体控制结构生来是分“等级”的。“控制回路内嵌有分级。”他说道。“对于最低级别的手指来说,我们有单独的控制回路,但是更高级来说,由手掌集中控制对每根手指发出指令,协调进行抓握动作。再来看看上级的手臂,你会想要控制手腕向某个方向运动的速度。那需要手臂里四个不同的电机协调控制。”
  Van Doren说这些原型结构给项目工程师提出了最大的挑战。例如内在手,包含1000个零部件,而cobot设计只有不到600个零件。
  连线设计小组
  当设计原型I的时候,设计小组同时也为虚拟设计环境打下基础。工程师设计了假肢的无线界面来联系虚拟集成系统。例如,研究学家在移动原型手臂的同时,屏幕上也有相应动作轨迹的显示。
  Harshbarger说道:“在虚拟环境下,为信号处理公式构建了数据块以及控制系统法则,这样我们可对不同的控制方法进行探索。同时我们也可对机械属性和手臂的运动进行评估。”


在来自30 多个不同公司和组织的工程师
共同努力之下,团队开发了虚拟集成环境
让工程师们在持续变化的环境下可以进行
控制以及运动概念模拟实验

  简而言之,基于MATLAB、Simulink以及专利软件的虚拟集成系统允许APL与远程伙伴同步工作。“每个人的专业技能都于项目的最高目标一致,达到高协作效率。”Harshbarger说。
  虚拟环境还给病人机会尝试手臂的运动,并在任何一种假肢产品生产出来之前给他们反馈。海军退伍士兵Kuniholm,正在从事手臂模式识别软件来传达大脑的指令并将指令变成运动呈现在电脑屏幕上。在戴上原型II产品45分钟之后,他就可以毫无障碍地控制它了。


采集更多信号以及因此产生的更宽范围假肢运动,研究学家正在调查
移植肌电传感器(IMES)。这些微小的密封设备会通过输电格注射
到肌肉当中,同时接受电源并通过身体外部的信号传输线圈发出指令信号。

  “由于病人的个体差异,对假肢输入的指令也各有不同。”APL公司Bridge解释道。“针对每个指令就有一套基础控制技术,同时这种虚拟集成环境允许我们进行非常灵活、有标准组件的软件测试环境。”
  开创未来科技
  在2009年未最终设计截至日期到来之前,还有很多事情要做。迄今为止,开发的原型产品毫无疑问是起决定作用的。研究学家已经着手进行了许多不同寻常的制动器以及控制方案的研究。例如,作为电子机械制动器的代替品,美国范德堡大学Michael Goldfarb正在研究采用从氢氧化物同铱催化剂的反应中得到的蒸汽来控制气缸运动的系统。另外一个液压版本是采用直流电机来驱动泵,并在蓄电池内积蓄能量。
  

  工程师们也需要开发更多高级控制和传感反馈机械产品。原型I和II的肌电控制设计依靠表面电极。芝加哥康复研究所(RIC)的Todd Kuiken博士开发的技术被一名外科医生利用,首先将截肢患者手臂残肢中的神经连接到胸腔内。截肢患者紧缩胸腔肌肉的时候,表面电极感应到活动,同时转换成控制信号给假肢。
  据Northwestern公司Weir称,问题是由于信号交叠的原因,这些表面电极只能提供四个渠道来控制假肢。Weir同其它研究学家合作,采集更多的信号同时完成更多更广的假肢运动,合作者中包括伊利诺斯州技术研究所的Phillip Troyk,合作项目是移植肌电传感器(IMES)系统平台。这些微型密封设备大约相当于一颗米粒,可以通过网格形式注射到肌肉当中,能采集更加稳定齐全的信号。传感器接受到电源并通过体外传输器线圈发出指令信号。
  工程师们同时也在研究其他的感知反馈以及神经界面机械装置,给假肢使用者接触、温度、压力、振动以及手臂的空间位置感。目前,达到这种反馈效果的原则方法是采用“触器”,这是一种安装在胸腔表面的电子机械元件。新型设备包含一个大约5mm sq大小的
设备,内有100个电极,每个设备有自己的信号放大器、电路以及无线界面。


对于如何运动来说,Heartlander依靠两个嵌入塑料
组群的吸收杯---一个在设备的前面一个在后部。来
自外部泵的真空压力通过埋在柔性绳内的两条线传
输,而柔性绳是横穿设备的。通过选择前部吸收以
及后部吸收,系统改变两者之间的距离,并在10到
15mm“步”内让设备移动到心脏的理想位置。

  其次就是重量问题。原型II设计每个产品大约重9.5lb—大约是最大标准的1/3—设计的产品还包含一个外部电池和控制电路。这些零件的大小被缩减,同时在最终设计里被安装在假肢中。


高为5mm,宽为8mm,长为2mm 的装置在心脏表面如尺蠖一般爬
行游动。根据医疗步骤的不同,微型机器人可除去患病组织,注射药
物或者用电极刺激心肌。

  但是这些以及其他棘手的难题都没有办法阻挡2009年假肢革命带来的兴奋之情。“我从未见过如此有激情的工程设计师团队。”Van Doren说道。
  Heartlander:微创外科的新选择
  为在眼睛微创手术时减轻手部的颤动,设计师们开始了一项名为Cameron Riviere的项目。卡内基梅隆大学教授最终设计出了一种迷你机器人,能为心脏进行导航。
  据卡内基梅隆大学的机械研究所研究人员透露,他们正面临在活体心脏上进行手术的挑战,而非让心脏停止跳动,取而代之的在病人身上采用心脏起搏器这种方法。“我开始想任何一种我为手部颤抖开发的技术能够帮的上心脏跳动手术的。”
  在探索完急救步骤并且同医疗技术合作伙伴保持沟通的同时,匹兹堡Riviere大学心脏手术专家Marco Zenati最后总结道,开发卫星设备可以安置在心脏上,由外科医生来控制,这对在跳动的心脏上进行的手术是最佳选择,心脏跳动时的活动范围可达到2 CM。
  “衡量心脏跳动范围以及手术的窄小空间,这种方法对我来说更加方便简单,也更节省费用,比设计外部机器人装置配合心跳运动更有优势。”他说道。
  他的方法已经在猪的心脏手术上实验过,被称为Heartlander.高为5mm,宽为8mm,长为2mm的装置在心脏表面如尺蠖一般爬行游动。根据医疗步骤的不同,迷你机器人可除去患病组织,注射药物或者用电极刺激心肌。
  外科医生将Heartlander通过胸腔直接插入身体内。 通过在心前区打开一个切口,外科医生将机器人直接安置在心脏表面。
  “你让设备自由的在心脏表面游动,同时也用更加简单和正面的方法解决了补充运动问题,而不是采用较大昂贵的机器人系统,那个系统需要在多自由度条件下操作。”Riviere说道。
  控制运动
  对于如何运动来说,Heartlander依靠两个嵌入塑料组群的吸收杯---一个在设备的前面一个在后部。来自外部泵的真空压力通过埋在柔性绳内的两条线传输,而柔性绳是横穿设备的。通过选择前部吸收以及后部吸收,系统改变两者之间的距离,并在10到15mm“步”内让设备移动到心脏的理想位置。为了给Heartlander“指路”,柔性绳还包含两条驱动线,穿过设备后部并链接设备前脚左右两边。设备电线由两个外部电机供电,每个电机的运行扭矩为0.8N。


两位MIT工程专业毕业生发明了e100产品,
首次在新型复原设备中使用。


外科医生采用手柄控制Heartlander 的位置以及所
需的治疗方法。影像界面显示机器人在心脏的具体
位置。实时位置通过卫星6-DOF 磁性追踪传感器
来测量。

  外科医师采用遥感控制Heartlander的位置以及所需的疗法。MATLAB软件公司设计的图形界面显示了机器人在心脏上面的位置。实时位置由Ascension Technology公司microBIRD微型6-DOF磁性追踪传感器来测量,该设备位于仪器的背面。
  Riviere说在投入临床使用之前系统还有很多事情要做。除动物实验之外,研究学家还要为Heartlander开发各种终端受动器,还要在Heartlander系统以及医学影像设备之间建立连接界面。及时这样,卡内基梅隆大学CMU教授试想在未来该技术被用于多种不同的治疗当中,包括心肌注射、起搏器置换电极或者激光切割的光纤探测器传输装置。“我们确实看到设备已经作为一种心脏表面的运输工具,方便进行各种不同的治疗。它也可以让你在跳动的心脏上进行手术,让患者受益。”Riviere说道。
  
Myomo e100:修复身体运动机能
  在50%的案例当中,中风患者一边的身体麻痹,需要数月的时间进行康复。只有5%的病人最后恢复了手臂运动的能力。
  在MIT机器人方向工程设计院的研究家Joh

n McBean以及kailas Narendran着手开始一个承诺可将低靡预测结果反转的项目。在MIT设计专家Woody Flowers手下工作,这两人得到一笔基础资金进行新治疗设备的研究。5年之后,经过了一系列的原型以及临床研究之后,他们设计的康复医疗设备是经过了美国食品药品监督局FDA批准的e100 神经机器人系统,用于中风患者治疗使用。


戴起来像一个手臂护套一样,myomo e100 神经机
器人系统词啊用EMG 传感器探测电子肌肉活动并
触发刺激器帮助中风患者手臂重新恢复运动。

  做拥抱动作佩戴的手臂利用外部表面电肌(EMG)传感器,这个传感器被安置在二头肌或者三头肌上,用于探测监控病人的电肌活动。系统软件过滤并处理这些信号然后将数据传输到可穿戴的机器人设备上,给病人进行所希望的运动提供帮助。


E100设计目的是为了制造一种闭路系统供患者神经复原
学习使用。设备从使用者大脑得到信号并提供帮助,
使用者感知行为结果为一种奖励,受到鼓励再次尝试运动。

  “我们采用现有的EMG传感器,这种传感器只有拇指大小,可以调节极小的信号,同时对信号进行预放大处理。”Narendran说道,他的专长是电子工程设计,以及电脑科学。在进行信号预调节之后,PIC微处理器提供了数码信号处理功能。
  初始原型的软件为C++,工程师们在MATLAB里对系统进行初始分析。稍后,他们采用Octave,一种开放式源软件包,进行模拟分析。商业设备的系统代码在C当中。
  闭路系统
  系统可穿戴零部件重量不低于1.5lb,包含一个10W直流电机以及位于肘部后面的微齿轮组。这些驱动零部件在支撑手臂的轻量杯上采用升降扭矩。在后备包中的40W镍金属氢化物电池给系统供电。
  “系统必须提供足够的能量和扭矩来帮助提升手臂。”McBean说道,“但是对于受伤的手臂来说它不能太重或佩戴不舒服。”
  与修复设备不同的是,中风患者可能会在运动模式中采用,e100是对供每天活动的神经路径训练使用的。
  “目的是制造一个闭路系统进行学习。” McBean说道。“使用者的大脑在反馈回路中。设备从患者大脑接受到信号,然后给他们提供帮助,使用者作出的运动感知为一种奖励,并愿意积极尝试。”
  2005年在波士顿Spaulding复原医院进行的中风患者临床试验,与Joel Stein博士合作,得到了一些鼓舞人心的结果。患者采用设备进行治疗,18个小时就完成了6到9周的课程。平均下来,患者手臂紧绷的时间减少25%,手臂损伤减少23%。
  “这无不让人关注,让患者使用设备进行治疗的时间大大降低。”Narendran说道。
  一家名为Myomo的新公司为制造该设备而成立,将于2008年的第一季度启动。5,000美金到10,000美金的成本,与复原设备的强兼容性,让e100拥有许多潜在用户。每年仅在美国就有超过7000,000名新中风患者出现。设备的发明者也希望看见技术能被应用于复原设备家族的生产中。



关键字:运动  控制  刺激  传感  仿生学

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_164.html
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