医养设备的前沿热点技术
(一)视觉、力觉与触觉传感技术
目前,机器人辅助手术系统分为基于影像进行规划并采用计算机进行控制的主动式机器人,以及采用主从操作的主从机器人系统。微创手术机器人的力反馈包括从动机器人的力觉感知、主动机器人的力觉反馈两部分。其中,患者端的力觉、视觉构成了机器人传感和力觉反馈的基础。微创手术机器人力觉感知技术研究主要有三种方案。①通过在手术器械上附着应变片直接测量其受力,如加拿大西安大略大学的手术从动机器人、日本东京大学的手术从动机器人。由于手术器械结构的限制,所以通常并不能按照最佳的应力敏感区来设计结构,对微小受力的测量不够准确。②通过测量驱动元件的物理量间接测力。由于机器人末端执行器依靠电机驱动关节来施行手术动作,所以当遇到载荷时,电机驱动电流将改变。因此,可以通过驱动电流计算受力。美国德雷塞尔大学通过测量驱动关节的电机电流,计算从动机器人所受到的力;Tadano等通过测量汽缸内部的气体压强,来测量从动机器人的受力。仅靠电流或者气压测力,精确度不高。③将力/力矩传感集成到手术机器人末端执行器中。德国宇航中心研制了将传感器置于机器末端的从动机器人执行器,改善测力效果。Takeshi等利用光栅原理测量腹腔镜手术操作杆的受力。Xu等利用镍钛合金研制了柔性手术机器人从手,通过空间解算间接得出从手末端执行器受力。Peirs、Clijnen等研究了带有光纤传感器的微创手术导管,开发的微型传感器可以检测出导管前端与血管壁发生碰撞时的受力。天津大学等单位联合研制的妙手手术机器人系统,主操作手采用PHANTOM力反馈器,从手采用四自由度的关节型机器人,末端安装六维力传感器。北京航空航天大学针对脊柱外科的力觉反馈进行研究,针对硬组织实现了力觉感知。但目前要准确测量手术工具末端的作用力还有较大的困难。力传感器的体积、安装位置及工作环境等都受到限制。如将传感器安装在工具末端。传感器要进入人体内,其材料、体积、电气特性等方面都受到严格限制。而若安装在工具的其他部分,测力精度则受很大的影响。为此,研究人员试图通过建立被操作对象的力学模型、建立力矩观测器或建立虚拟的微创手术环境等方法,间接提取作用力的信息。如Tavakolid等针对人体器官软组织力学特性,通过软组织的力-变形数学模型和参数学习方法,实现了对作用力的“测量”。Tanaka等将手术工具与环境的作用力看作是控制系统的扰动,利用从手执行机构中力矩指令和反馈的机器人关节角速度等信息,建立“扰动力”观测器,实现对作用力的估计。Aziminejad等对主-从式双向控制系统的稳定性做了深入的讨论。
(二)远程操作系统
远程医疗是运用计算机网络、远程通信和多媒体等技术,跨越空间限制,远距离实现医疗、保健、教学、医学信息等服务的一种新型医疗模式。它包括远程诊断、远程护理、远程教育、远程医学信息服务等医学活动,旨在实现区域医疗资源的优化配置,降低医疗开支,为患者提供优质、便捷的医疗服务。
20世纪50年代,美国最早创建了远程放射学、远程病理学等。自80年代后期,欧美国家通过数字卫星数据、图片、语音和视频的传输,在远程医疗咨询、远程会诊、远程医疗教育等方面取得了较大进展。一项数据表明,仅1993年,美国和加拿大约有2250例患者通过远程医学系统就诊。在这期间,中国远程医疗技术也取得了一定的进展。1988年,解放军总院通过卫星与德国一家医院进行的神经外科远程病例讨论拉开了我国远程医疗发展的序幕。随着我国宽带网络的迅速普及,我国各大医院现在都已进入远程医疗应用阶段,建立了远程医疗技术服务平台,可以通过数据信息交流,第一时间开展医疗诊治活动。
远程医疗在医养结合中的应用,即在医院和养老机构之间运用远程通信技术,对入住老年人实施远距离诊疗、监护和健康档案管理等服务。远程医疗不但能在医疗机构间发挥其优化资源配置、快捷、便利的优势,而且能在养老机构的护理中发挥重要作用。医学专家可以不离开医院或医疗中心就能为老年人提供医疗服务,养老机构的医务工作者也可以得到业务上的指导,让老年人足不出户便能享受优质便捷的医疗服务。
(三)智能配准技术
2018年2月,工业和信息化部、民政部、国家卫生计生委三部委印发了《智慧养老产业发展行动计划(2017—2020年)》,其核心是要利用物联网、云计算、大数据、智能硬件等新一代信息技术产品,把各方的健康养老资源进行有效对接和优化配置;3月,国务院印发《“十三五”国家老龄事业发展和养老体系建设规划》,也指出要健全居家为基础、社区为依托、机构为补充、医养相结合的养老服务体系。
从现状分析,医养结合产业的成长和发展已经成了当务之急,而且不光是要补足医养资源,还要通过现代科技让养老更智慧、更健康、更有针对性。在两会中关于此领域,也探讨了一些观点,同时讨论了推动医养结合的一些好方案,及其对养老医疗产业将会产生哪些影响。
居家养老、社区养老仍是当今最受广大群众欢迎的养老模式。但预计到2050年,我国临终无子女的老年人将达7900万人左右,其中独居和空巢老年人将占54%以上。居家老年人的生活和医疗护理成了问题。
《智慧养老产业发展行动计划(2017—2020年)》指出的智能化养老就为居家养老提供了一种新型的便利形式。在适用于老年人群体的智能设备和应用系统的辅助下,监护、健康监测、医疗、康复、家居陪护的功能都能够被集合到一起,让在家庭和社区中养老的老年人从日常起居、医疗保健以及情感上都能够得到满足。
在政治协商会议上全国政协委员翟美卿提交了一份《关于推进智能居家养老服务发展的建议》,提出“互联网+”下发展的智能化养老是未来居家养老模式的一个新趋势。但由于养老社会服务体系尚不完善,很多智能化居家养老还停留在“概念”层面,配套弱、无标准、服务不落地的问题突出。而且相关设施设备缺乏准入标准,尤其是有移动健康功能的智能终端设备,无法满足老年人需求。
(四)虚拟现实技术
虚拟现实(VR)技术是一种基于计算机信息技术的沉浸式交互系统。它采用以计算机技术为核心的现代高科技来生成逼真的融视、听、触觉于一体的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生亲临现场等同真实环境的感受和体验。
VR系统可以使用户在计算机生成的三维环境中进行实时漫游、交互。它包括交互(interaction)、三维图形(3D-graphics)、沉浸(immersion)三个部分。在虚拟环境中,用户能够在计算机生成的虚拟世界移动并且交互,好像就在这个世界中一样。用户还可根据自身的感觉,使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件;同时提供视、听、触觉等直观而又自然的实时感知,并使参与者“沉浸 ”于模拟情境中。VR技术已广泛应用于医学教学、疾病诊断、手术模拟、康复医疗、远程医疗等方面,被称为虚拟医学(virtual medicine)或仿真医学。
VR技术作为一门新兴的科学技术,它是与许多相关学科领域交叉、集成的产物。这个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的。在医学领域,它将更多地在临床实践方面得到发展。但仍存在许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术难关。如:显示设备还不能很好地接收高质量、高逼真的医学图像;在复杂环境中,图像的实时性和生成的速度也需要进一步提高等。如果能在实践教学中将VR技术与当前正在各高校试行的项目式教学(Project-Based Learning,PBL)教学方法相结合,可能更有利于培养出真正具有实践动手能力和创新能力的医学生。
总之,VR技术在远程医疗、手术计划、教育培训和诊疗等方面都已经得到实践应用。可以预料,VR技术在医学领域更广泛、更深入的应用将会给传统医疗带来革命性的变化。有人说,80年代是个人计算机的年代;90年代是多媒体计算机的年代;我们有理由相信21世纪是VR技术的时代。我们相信该技术在医养上的应用在将来必定会取得更大的发展。
(五)安全性研究
随着老龄化程度的加深,基于我国国情发展的机构养老成为越来越多人的选择。同时,医养结合新模式的提出为我国机构养老提供了更多的可能性。对该模式下机构医养护理产品安全性、易用性、人性化等方面的设计研究具有一定的实际意义和价值。
在医养设备产品的应用过程中,有使用者和受用者之分,因此,医养环境、医养产品的安全性会直接影响高龄者,甚至护理者的健康和安全。以轮椅为例,使用者对其安全性的关注主要在于其能承受一定的质量与冲击,有较高的防滑性能,有良好的刹车控制性能,及能使用户进行正确的操作。此处的“用户”便涉及了高龄者与护理者两类使用者。除产品本身外,机构的护理者对其正确的使用更能让高龄者获得安全感。当前,医养设备的安全性在不断改进,主要是在材料、结构和功能上的创新。