基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

龍朝杰 杜昱鏗 李杰

（湖南省兒童醫(yī)院物資供應(yīng)維修部 湖南省長沙市 410007）

基于FBS 模型設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，主要是通過對現(xiàn)有的康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)品額功能、行為以及產(chǎn)品等結(jié)構(gòu)進(jìn)行解構(gòu)，再結(jié)合實(shí)際環(huán)境和用戶自身年的行為特點(diǎn)等，提出的一種康復(fù)醫(yī)療設(shè)備框架。以此能夠重新設(shè)計(jì)出一種具備簡單結(jié)構(gòu)、高穩(wěn)定性和安全性及容易拆裝和存儲的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，為廣大患者的需求提供低成本的醫(yī)療設(shè)備。因此，本文的研究不管時(shí)對患者家庭還是社會都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備概述

由于腦卒或其他因素導(dǎo)致患者上肢活動出現(xiàn)障礙問題，為了解決幫助該些患者，可以利用上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備來為患者的上肢活動提供輔助治理，以此實(shí)現(xiàn)幫助患者上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，獲取上肢運(yùn)動能力。而上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的出現(xiàn)，不僅減少了醫(yī)護(hù)工作人員的勞動力，還可以實(shí)現(xiàn)對患者康復(fù)訓(xùn)練中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。通過隨機(jī)試驗(yàn)對照的研究情況表明，腦卒中患者群體自身的上肢康復(fù)運(yùn)動復(fù)健過程當(dāng)中，一般情況是借助上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)治療活動。該類型康復(fù)治療活動和人工徒手康復(fù)治療兩者之間的效果報(bào)并無明顯的區(qū)別，由此可以證明，上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備對患者上肢康復(fù)訓(xùn)練的有效性。結(jié)合現(xiàn)有研究成果來看上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備可以將其劃分為兩種類型：外骨骼式和平臺式等。例如以MIT-MANUSFI 的代表的平臺式上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，主要是由平臺、多連桿移動結(jié)構(gòu)和肢體固定部件等多方面構(gòu)成。在幫助患者進(jìn)行上肢康復(fù)運(yùn)動時(shí)，具有較高的安全性和穿脫便捷。以ARMin 的外骨骼式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，在幫助患者進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，通過人體關(guān)節(jié)位置和力矩傳感器扥實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練活動。

本文基于FBS 模型設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，主要由醫(yī)護(hù)人員結(jié)合上肢運(yùn)動患者自身年的情況，在醫(yī)療康復(fù)設(shè)備系統(tǒng)當(dāng)中輸入患者的病歷、運(yùn)動性質(zhì)以及實(shí)踐和力度等，然后幫助患者在醫(yī)生的指導(dǎo)下，利用上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)運(yùn)動復(fù)健訓(xùn)練。同時(shí)，在整個(gè)訓(xùn)練過程當(dāng)中，設(shè)備系統(tǒng)會通過傳感器對患者的運(yùn)動軌跡、速度以及力度等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，訓(xùn)練結(jié)束后系統(tǒng)會借助可視化的形式將訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行展示，并為醫(yī)護(hù)人員提供可靠的分析依據(jù)。

2 上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)要求

（1）上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備能夠替代醫(yī)護(hù)工作人員，實(shí)現(xiàn)幫助患者進(jìn)行上肢進(jìn)行復(fù)健訓(xùn)練。因此，在研發(fā)和設(shè)計(jì)該類型醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品時(shí)，需要針對服務(wù)對象自身的特殊性以及工作環(huán)境安全性等方面的因素，患者自身的需求等實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

（2）在滿足醫(yī)療設(shè)備基本訓(xùn)練功能要求之后，還需要使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠充分地保障患者的安全，避免出現(xiàn)患者在復(fù)健訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)二次損傷。

2.1 安全性和機(jī)構(gòu)性

上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，為了避免對患者復(fù)健訓(xùn)練造成二次損傷，需要遵循國家標(biāo)準(zhǔn)（GB24436-2009 康復(fù)訓(xùn)練器械安全通用要求）設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備的各方面部件。同時(shí)，針對設(shè)備的控制系統(tǒng)安全性，需要結(jié)合設(shè)備相應(yīng)的APP 軟件實(shí)現(xiàn)對康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的通知，還可以通過允許患者利用健側(cè)手強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)的斷開，以此避免意外的出現(xiàn)。此外，醫(yī)療設(shè)備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以將其劃分為牽引和支撐等兩個(gè)部分。前者在患者上肢沒有足夠肌肉力實(shí)現(xiàn)自身康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，通過利用牽引機(jī)構(gòu)幫助患者患肢實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練。不過在人機(jī)交互時(shí)，應(yīng)當(dāng)使得牽引機(jī)構(gòu)和患者患肢的接觸固定方式，具備相應(yīng)的自由度和靈活性。后者，主要通過針對患者患肢康復(fù)初期肌肉力薄弱，借助醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)對患者患肢的輔助支撐作用。

2.2 模塊化與智能化

由于醫(yī)療環(huán)境的不同，因此在進(jìn)行上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要滿足環(huán)境特點(diǎn)的需求，并且所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需要具備靈活性和可移動功能。因此就需要通過模塊化技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使其具備更加便捷的拆裝和存放能力。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)對不同上肢康復(fù)期患者以及不同康復(fù)環(huán)境下患者的需求，提供不同的解決方法。其次，智能化在上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)地幫助醫(yī)護(hù)人員準(zhǔn)確地對患者的康復(fù)進(jìn)度進(jìn)行記錄，并通過獲取的患者康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生更好地對患者康復(fù)情況進(jìn)行評估。也能夠幫助患者或者其家屬進(jìn)行腦卒中并發(fā)癥預(yù)防。

3 FBS模型概述分析

3.1 定義理論分析

在利用FBS 模型進(jìn)行上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要正確認(rèn)識和了解FBS 模型的定義和理論，只有這樣才能夠使得設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品更加符合要求。FBS 模型是一種在FS 模型（Function-Structure）基礎(chǔ)上引入行為（Behavior）后所提出的基于功能、行為及結(jié)構(gòu)的FBS（Function-Structure-Behavior）理論模型。最后，結(jié)合人的認(rèn)知特點(diǎn)，將其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程劃分為：功能分解和重組、行為分解與變型以及結(jié)構(gòu)重組等三部分。

3.2 基于FBS模型的產(chǎn)品開發(fā)流程

基于FBS 模型的產(chǎn)品開發(fā)，首先需要對所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需求進(jìn)行全面分析，確定產(chǎn)品的總功能。其次，對其總功能進(jìn)行拆分并細(xì)化成多個(gè)小功能，使其形成功能結(jié)構(gòu)[5]。最后通過子功能的映射行為，和行為映射為結(jié)構(gòu)等形式將該些關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，在產(chǎn)品開發(fā)過程當(dāng)中，產(chǎn)品的功能、行為以及結(jié)構(gòu)等之間都是通過映射的關(guān)系，來保證產(chǎn)品的基本邏輯和組織關(guān)系的穩(wěn)定性，最終在對各種定性關(guān)系轉(zhuǎn)化成定量關(guān)系后，實(shí)現(xiàn)并產(chǎn)出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，具體見圖1 所示。

圖1： 基于FBS 模型的產(chǎn)品開發(fā)流程

3.3 FBS模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，其功能和結(jié)構(gòu)兩者是兩不可分割的設(shè)計(jì)要素，在FBS 模型當(dāng)中，可以借助功能結(jié)構(gòu)模型當(dāng)中融入行為變量，從而促進(jìn)功能-行為、行為-結(jié)構(gòu)的兩級映射關(guān)系形成，具體見圖2 所示。

圖2： FBS 模型的分層信息

簡單來說，基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)，其功能層代表了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的；行為層雖然處于功能層和結(jié)構(gòu)層兩者之間，但是可以通過行為及輔助行為，將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)映射出來；而結(jié)構(gòu)層對產(chǎn)品的整體架構(gòu)和每個(gè)結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系和方式進(jìn)行了定義，最后為上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了參考依據(jù)。

3.3.1 F-B 映射分析

兩者之間的映射，需要先對設(shè)備功能進(jìn)行分析，而產(chǎn)品的功能又來自于用戶自身的需求。因此，在設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，由于去復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)，很那進(jìn)行直接分析。所以，通過簡化的方式，將系統(tǒng)總功能分解成多個(gè)子功能并形成整體結(jié)構(gòu)圖。而功能和結(jié)構(gòu)之間的橋梁就是行為，也就是通過行為實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品功能應(yīng)該“怎樣做”。并在各種約束條件得以滿足的前提下功能-行為映射，生成了行為解，最后從其原理上促進(jìn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 B-S 映射分析

醫(yī)療產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)離不開結(jié)構(gòu)，而FBS 模型，通過設(shè)計(jì)知識庫類比推理方式，結(jié)合設(shè)計(jì)需求試實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)。也就是說，當(dāng)功能映射的行為和設(shè)計(jì)知識庫中的結(jié)構(gòu)解，能夠?qū)崿F(xiàn)行為對比和匹配。若是兩者之間的行為相符，則映射的行為集結(jié)構(gòu)也會存在相似的關(guān)系，最后在約束條件的作用下，產(chǎn)生出符合要求的結(jié)構(gòu)。

4 基于FBS模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要模塊

本文項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目標(biāo)群體主要是腦卒中患者康復(fù)人群。因此基于FBS 模型設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備和其他類型的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有所不同。該設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備其目的是，能夠?qū)崿F(xiàn)患者患肢最大化的復(fù)健訓(xùn)練效果時(shí)，盡可能的降低設(shè)備的生產(chǎn)成本，幫助患者家庭節(jié)省醫(yī)療開支。同時(shí)，要需要保障設(shè)計(jì)的設(shè)備具備高安全性、便捷性、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以劃分為康復(fù)訓(xùn)練、控制、支撐、傳動以及長/高度調(diào)節(jié)和可移動等多個(gè)模塊，具體見圖3 所示。

圖3： 基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析

基于FBS 模型設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備具體功能模塊如下：

4.1.1 康復(fù)訓(xùn)練模塊

該模塊的設(shè)計(jì)，主要包含了患者上肢肩關(guān)節(jié)訓(xùn)練模塊以及肘關(guān)節(jié)訓(xùn)練模塊等兩個(gè)部分。首先，肩關(guān)節(jié)訓(xùn)練模塊，是由上臂支撐、前臂支撐、手握以及手臂綁定等結(jié)構(gòu)和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)多個(gè)部分構(gòu)成。當(dāng)患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，通過肩關(guān)節(jié)訓(xùn)練模塊，能夠使得兩個(gè)咬合件將主機(jī)盒與訓(xùn)練模塊兩者進(jìn)行相連，然后由主機(jī)盒內(nèi)部的微特電機(jī)驅(qū)動設(shè)備，內(nèi)部的齒輪，實(shí)現(xiàn)將其動力傳導(dǎo)至相應(yīng)的訓(xùn)練模塊當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)患者的肩部屈曲與伸展等活動。其次，在康復(fù)訓(xùn)練模塊中其肘關(guān)節(jié)訓(xùn)練模塊的傳動模式和肩關(guān)節(jié)相同，但兩者之間不同的是，肘關(guān)節(jié)在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，其屈曲運(yùn)動只能夠隨著機(jī)器的運(yùn)動二人擺動前臂，上臂被固定在手臂的支撐臺之上。

4.1.2 控制模塊

在模塊當(dāng)中，由于該模塊主要放置在主機(jī)盒當(dāng)中，因此只有通過聯(lián)網(wǎng)或藍(lán)牙的方式，將上肢康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)療設(shè)備和手機(jī)APP 軟件兩者進(jìn)行連接。然后，借助軟件直接實(shí)現(xiàn)對康復(fù)訓(xùn)練模塊參數(shù)的配置，以及通過遠(yuǎn)程控制的模塊，實(shí)現(xiàn)患者的復(fù)健訓(xùn)練開始與停止。

4.1.3 支撐模塊

該模塊在上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，主要是通過底座、連接桿以及上臂支撐平臺和主機(jī)盒支撐平臺等四個(gè)部分共同構(gòu)成。對患者的整機(jī)以及人體上肢復(fù)健訓(xùn)練提供強(qiáng)力的支撐，并保證患者的復(fù)健訓(xùn)練的安全性。

4.1.4 傳動模塊

該模塊的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備的微特電機(jī)驅(qū)動和齒輪傳動等方面。

4.1.5 長度/高度調(diào)節(jié)模塊

在上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)前，由于每名患者的身高并不相同。因此，在設(shè)計(jì)過程中可以通過利用可自由調(diào)節(jié)的器械，進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，以此適應(yīng)患者的坐姿。并且通過該模塊的長度還能夠使用不同患者的臂長。

4.1.6 可移動模塊

該模塊的設(shè)計(jì)主要是利用萬向輪實(shí)現(xiàn)設(shè)備的移動。并且在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中康復(fù)醫(yī)療設(shè)備還具備相應(yīng)的剎車裝置，以此防止與避免患者復(fù)健訓(xùn)練過程中，設(shè)備不會因移動對患者造成二次傷害。

4.2 行為變型和創(chuàng)新

由于不同患者用戶，在不同的環(huán)境情況下對康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)療設(shè)備的使用行為差異不同，可以得出行為的變型和創(chuàng)新。針對對醫(yī)院和社區(qū)康復(fù)環(huán)境下的患者及其家屬對患者復(fù)健訓(xùn)練的需求，例如康復(fù)醫(yī)療設(shè)備指導(dǎo)、康復(fù)訓(xùn)練方法以及康復(fù)護(hù)理技巧等方面，以及醫(yī)療環(huán)境與居家環(huán)境等方面對醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)差異性進(jìn)行了分析，從其控制功能映射行為實(shí)現(xiàn)變型，將鼠標(biāo)和面板等控制變型成手機(jī)APP 控制。這樣一來，可以借助APP 實(shí)現(xiàn)對患者的上肢康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的記錄，并針對患者自身的康復(fù)情況展開評估。也可以通過在APP 中融入康復(fù)訓(xùn)練視頻，對患者展開康復(fù)訓(xùn)練教學(xué)。同時(shí)，基于FBS 模型設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，在行為的變型和創(chuàng)新下，能夠映射出新產(chǎn)品的功能集，從而通過功能間的關(guān)系，構(gòu)建出新的醫(yī)療康復(fù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，最后設(shè)計(jì)出符合患者康復(fù)環(huán)境需求的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備。

4.3 驅(qū)動方式選擇

現(xiàn)階段，針對上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的驅(qū)動方式，主要是利用液壓式、氣動式以及電動式等三種和不同的驅(qū)動方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動，而這三種不同類型的驅(qū)動方式之間的優(yōu)劣對比分析，見表1 所示。

表1： 驅(qū)動方式對比

在通過對比上述三種不同的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備驅(qū)動方式，本次基于FBS 模型的醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，采用電動驅(qū)動方式，作為該設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)。主要原因，一方面是從其成本方面考慮；另一方面是由于電動驅(qū)動方式，能夠充分地滿足此次設(shè)備設(shè)計(jì)的需求和采購。而通過不過電動機(jī)產(chǎn)生的力和力矩，通過直接或間接的方式在傳動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動下執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠有效實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的各種運(yùn)動。而電動驅(qū)動系統(tǒng)在并不需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，還具備靈活控制和簡便的操作，進(jìn)而能夠被不同康復(fù)期的患者復(fù)健訓(xùn)練需求所需要。

4.4 識別需求分析

4.4.1 訓(xùn)練和安全方面的需求

通過借助文獻(xiàn)研究總結(jié)出患者用戶的具備訓(xùn)練和安全等方面的需求，而滿足患者的患肢康復(fù)訓(xùn)練需求，一般單日訓(xùn)練時(shí)間在15 分鐘左右。而從安全方面來看，上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備作為醫(yī)療用戶，其安全性設(shè)計(jì)以及緊急停止功能設(shè)計(jì)，極為重要。

4.4.2 便利和情感需求

上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，還需要能夠滿足醫(yī)護(hù)人員對設(shè)備操作的便利性，如十分人性化的人機(jī)交互界面，以及十分方面患者穿戴的便利性。同時(shí)，醫(yī)療設(shè)備在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，還需要注重用戶情感需求，讓用戶在使用過程中其主體地位得到體現(xiàn)。上肢康復(fù)訓(xùn)練過程當(dāng)中，不會讓患者的上肢存在刺痛感和不適感等。因此，在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中可以通過融入趣味性設(shè)計(jì)，來降低患者對康復(fù)訓(xùn)練的抵觸，也可以借助游戲訓(xùn)練的方式，實(shí)現(xiàn)對患者患肢康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動。

5 系統(tǒng)模型生成

基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備生成，首先需要對患者以及醫(yī)護(hù)工作人員對醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用和需求進(jìn)行分析，接著對上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的功能設(shè)計(jì)展開分析，從而得出顯示、移動以及康復(fù)訓(xùn)練和數(shù)據(jù)記錄、分析等功能。其次，通過FBS 模型對該醫(yī)療設(shè)備的功能實(shí)施功能-行為映射以及行為-結(jié)構(gòu)映射等，從而得出符合需求的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。

6 結(jié)語

綜上所述，文章針對現(xiàn)階段市場上的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的單一功能形態(tài)以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題，在FBS 模型理論和可行性評估方法理論等方面的指導(dǎo)下，完成了基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)。同時(shí)，該醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)，從其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免了對患者造成二次傷害，因此相對更加符合醫(yī)療產(chǎn)品特征，并且該設(shè)備設(shè)計(jì)還具有易拆卸和易存儲的等特點(diǎn)。本文此次研究，為相關(guān)類型的醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了一種新的思路。