下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

謝欲曉 白偉 張羽 衛(wèi)生部中日友好醫(yī)院物理康復(fù)科 (北京 100029 )

下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

謝欲曉 白偉 張羽 衛(wèi)生部中日友好醫(yī)院物理康復(fù)科 (北京 100029 )

康復(fù)機(jī)器人(rehabilitation robots)是近年出現(xiàn)的一種新型機(jī)器人，它屬于醫(yī)療機(jī)器人范疇。它分為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和輔助型康復(fù)機(jī)器人，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走訓(xùn)練、手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、頸部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等；輔助型康復(fù)機(jī)器人主要用來(lái)幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種動(dòng)作，如機(jī)器人輪椅、導(dǎo)盲手杖、機(jī)器人假肢、機(jī)器人護(hù)士等[1]。

傳統(tǒng)的康復(fù)程序依賴于治療師的經(jīng)驗(yàn)與徒手操作技術(shù)。隨著病人數(shù)目迅速增大，節(jié)省治療時(shí)間越來(lái)越成為關(guān)注的問(wèn)題。如果機(jī)器人可以協(xié)助執(zhí)行康復(fù)評(píng)估與治療程序，應(yīng)該是一個(gè)很大的進(jìn)步。近年來(lái)，已經(jīng)有很多研究涉及機(jī)器人在協(xié)助殘疾者康復(fù)訓(xùn)練的作用[2,3]。康復(fù)機(jī)器人能通過(guò)機(jī)器帶動(dòng)肢體做成千上萬(wàn)的重復(fù)性的運(yùn)動(dòng), 對(duì)控制肢體運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)系統(tǒng)刺激并重建, 從而恢復(fù)肢體功能運(yùn)動(dòng)的一種新的臨床干預(yù)手段。

1 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研發(fā)沿革

康復(fù)機(jī)器人技術(shù)是國(guó)際前沿技術(shù)，它的歷史雖然很短，但發(fā)展的速度卻很快，近一兩年來(lái)不斷有新的研究成果出現(xiàn)。從第一臺(tái)在商業(yè)上獲得巨大成功的康復(fù)機(jī)器人一Handy[4]至今，康復(fù)機(jī)器人的研究獲得了巨大的發(fā)展。為了更好地促進(jìn)運(yùn)動(dòng)康復(fù)和實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，自動(dòng)化和機(jī)器人輔助的運(yùn)動(dòng)康復(fù)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始出現(xiàn)[5]。

1993年，Lum等就研制了一種稱作“手——物體——手”的系統(tǒng)(hand—object—hand system)，嘗試對(duì)一只手功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。1995年，Lum等又研制了一種雙手上舉的康復(fù)器(bimanual lifting rehabilitation)，用來(lái)訓(xùn)練患者用雙手將物體上舉這一動(dòng)作[6]。Hogan與Krebs等于研制出一種稱作MIT-MANUS的腦神經(jīng)輔助康復(fù)機(jī)器人。MANUS提供平面運(yùn)動(dòng)和手部三維運(yùn)動(dòng)兩個(gè)訓(xùn)練模塊，具有反向可驅(qū)動(dòng)性并可以通過(guò)阻抗控制實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的安全性、穩(wěn)定性和平順性。MANUS具有輔助或阻礙手臂的平面運(yùn)動(dòng)功能，也可以精確測(cè)量手的平面運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并為患者提供視覺(jué)反饋。MANUS的不足在于，它實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作基本上是平面的，這就限制了訓(xùn)練方案的改進(jìn)；而且它向患者提供的訓(xùn)練動(dòng)作不是從患者本身的需要出發(fā)，因而不能達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果。

2000年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)研制了一種用于脊椎神經(jīng)受損病患者下肢康復(fù)的機(jī)器人設(shè)備，它運(yùn)用一對(duì)機(jī)械臂引導(dǎo)下肢在腳踏車上運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)幾個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量病人的力、速度、加速度以及運(yùn)動(dòng)阻力。在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)障礙者在機(jī)器人輔助運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的重心控制進(jìn)行了研究[7]

總結(jié)康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀，下肢康復(fù)機(jī)器人以被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式為主，但現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)模式單一，缺乏目標(biāo)導(dǎo)向訓(xùn)練設(shè)計(jì)；上肢康復(fù)機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、被動(dòng)、助動(dòng)三種模式相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)神經(jīng)控制參與的目標(biāo)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)將對(duì)臨床治療有突破性的貢獻(xiàn)，應(yīng)大力推廣；而手部康復(fù)機(jī)器人是目前國(guó)際研究的難點(diǎn)，暫無(wú)突破性的產(chǎn)品。

2 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀

下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人中的一種，它可以模擬正常人的行走姿態(tài)，并且可以承擔(dān)一部分人體的重量，對(duì)下肢有運(yùn)動(dòng)障礙的病人進(jìn)行有效的下肢康復(fù)訓(xùn)練[8]。盡管目前國(guó)際上康復(fù)機(jī)器人研發(fā)覆蓋的領(lǐng)域包括了手部康復(fù)機(jī)器人、上肢康復(fù)機(jī)器人、踝部康復(fù)機(jī)器人及下肢康復(fù)機(jī)器人，但恢復(fù)行走能力，是腦損傷患者和脊髓損傷后康復(fù)的主要目標(biāo)。因此，恢復(fù)獨(dú)立行走能力是康復(fù)治療努力的首要目標(biāo)。

由于腦的可塑性，醫(yī)學(xué)上通常是通過(guò)進(jìn)行重復(fù)的、特定任務(wù)的訓(xùn)練讓患者進(jìn)行足夠的重復(fù)性活動(dòng)[9]。從而使重組中的大腦皮質(zhì)通過(guò)深刻的體驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)和儲(chǔ)存正確的運(yùn)動(dòng)模式[10]?；谶@種方法已取得良好的臨床效果，在過(guò)去20年里，減重活動(dòng)平板步行訓(xùn)練的治療方法已被引入成為神經(jīng)康復(fù)方法。平板步行訓(xùn)練使復(fù)雜的步態(tài)周期得以重復(fù)[11]。然而，不利問(wèn)題是所需要很多的物理治療師來(lái)輔助病人患側(cè)和重心轉(zhuǎn)移。此外，治療師必須花費(fèi)很多的體力從而經(jīng)常抱怨疲勞或過(guò)重身體壓力。因此治療的次數(shù)以及患者重復(fù)的次數(shù)將會(huì)有限。對(duì)患者的重心的變化和步幅系統(tǒng)校正往往變得不可能。因此，正如Kosak 和 Reding指出[12]，治療師更喜歡患者使用任務(wù)導(dǎo)向的方法讓患者在地板上練習(xí)而不是在平板步行訓(xùn)練器上走路。為了克服這些缺點(diǎn)，機(jī)電協(xié)助的機(jī)器人，如步態(tài)訓(xùn)練(GT1)或Lokomat步態(tài)訓(xùn)練器被最近研制并在神經(jīng)康復(fù)使用。

圖1 LokoHelp(LokoHelp集團(tuán)，德國(guó))是最新研制用于訓(xùn)練和改善腦損傷后機(jī)電機(jī)器人設(shè)備步態(tài)

LokoHelp(LokoHelp集團(tuán)，德國(guó))是最新研制用于訓(xùn)練和改善腦損傷后步態(tài)機(jī)電設(shè)備(圖1)。這個(gè)裝置是放置在跑步機(jī)上并且可以輕松地安裝和拆除的。雖然這一新的步態(tài)訓(xùn)練器的應(yīng)用前景已被證明是可行的，但其療效尚未評(píng)估[13]。

根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理。在一套由計(jì)算機(jī)控制的步態(tài)模擬控制系統(tǒng)的控制下，幫助患者模擬正常人的步行規(guī)律進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，鍛煉下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力，達(dá)到恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)功能的目的[14]。一種被稱為L(zhǎng)OKOMAT的康復(fù)機(jī)器人能對(duì)脊髓損傷患者的踏車訓(xùn)練進(jìn)行自動(dòng)控制；最近又增加了視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋模式來(lái)進(jìn)行跨越障礙物訓(xùn)練，滿意度達(dá)80%[15]。

3 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研發(fā)的限制性與發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練方面已經(jīng)建立了小規(guī)模應(yīng)用。今后研發(fā)的步態(tài)機(jī)器人應(yīng)能將干擾感覺(jué)信息輸入最小化，易化正確的感覺(jué)信息輸人和步態(tài)力學(xué)，并智能化地根據(jù)外界變化同步作出輔助量大小調(diào)整[16-17]，還可為機(jī)器人配以合適的生物信息檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生物反饋控制，以提高康復(fù)效果。肌電生物反饋(EMGBF)在康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用比較廣泛。但Galvez等研究表明，使用機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行輔助步態(tài)訓(xùn)練時(shí)，仍需要治療師適當(dāng)?shù)妮o助訓(xùn)練指導(dǎo)，尤其是矯正下肢的關(guān)節(jié)力線、力矩，使其與正常步行周期接近，以達(dá)到最優(yōu)化效果[13]。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的采用AVR單片機(jī)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，成本低，易于產(chǎn)品化。但也存在重力平衡、機(jī)器人與患者肢體的干涉等問(wèn)題[17]。有研究表明．在機(jī)器人輔助下，患者行走中骨盆和下肢的活動(dòng)自由度受到限制．這使得肌肉的運(yùn)動(dòng)發(fā)動(dòng)模式與正常人不一樣，且缺乏適應(yīng)外界環(huán)境變化的反饋控制策略[18]，為以后這類助行器的商品化研究指明方向。

3.1 應(yīng)將評(píng)測(cè)和訓(xùn)練相結(jié)合

康復(fù)機(jī)器人由計(jì)算機(jī)控制，并配有相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)，可以自動(dòng)評(píng)價(jià)康復(fù)訓(xùn)練效果，根據(jù)病人的實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳訓(xùn)練。康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的在線測(cè)量，為康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制提供必要的參數(shù)，同時(shí)，為醫(yī)務(wù)工作者治療肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者提供準(zhǔn)確的信息。也可以作為患者自己觀察運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的工具。 該測(cè)量系統(tǒng)主要提供如下參數(shù)：(1)步態(tài)及運(yùn)動(dòng)分析，標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)在專業(yè)化名詞中稱為stance, heel-off, swing, heel-stike,即站立，后跟抬起，擺動(dòng)和后跟落下。如果出現(xiàn)病態(tài)步態(tài)，如前傾，后傾，左傾，右傾及不合理的步態(tài)相位分布都會(huì)影響人走路姿態(tài)。對(duì)于病人而言，分析和矯正病態(tài)步態(tài)是非常重要的。 (2)運(yùn)動(dòng)重心實(shí)時(shí)跟蹤，影響人走路的姿態(tài)除了步態(tài)之外還有重心分布，這一信息可用于病人自我矯正，借助于康復(fù)機(jī)器人，通過(guò)逐漸矯正到達(dá)健康恢復(fù)的目的。

3.2 應(yīng)有神經(jīng)控制的參與及被動(dòng)、主動(dòng)、助動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)模式

康復(fù)機(jī)器人是直接對(duì)患者肢體進(jìn)行操縱[6]， 因此機(jī)器的設(shè)計(jì)必須從患者的需要出發(fā)， 同時(shí)符合臨床康復(fù)訓(xùn)練的規(guī)律。盡管目前的康復(fù)機(jī)器人都能夠在一定程度上向患者提供簡(jiǎn)單的訓(xùn)練方案，但是迄今為止，所有研究結(jié)果除了能夠證實(shí)機(jī)器人輔助治療確有一定療效外, 并不能提供更多的有價(jià)值的結(jié)論。其根源在于，現(xiàn)有機(jī)器人所能提供的訓(xùn)練動(dòng)作只是簡(jiǎn)單的曲線或者直線軌跡，首先它與臨床訓(xùn)練的要求不符, 不能在康復(fù)早期給患者以更多的正確運(yùn)動(dòng)感覺(jué)的刺激；其次這些動(dòng)作與日常功能性動(dòng)作相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于患者恢復(fù)日常生活能力幫助不大。不僅如此，由于機(jī)器人不能根據(jù)患者的康復(fù)情況做出實(shí)時(shí)的調(diào)整(輔助或阻尼支撐或不支撐), 容易讓患者完全依賴于機(jī)器人完成動(dòng)作,從而有可能導(dǎo)致癱肢產(chǎn)生異常運(yùn)動(dòng)模式. 此外,相同的訓(xùn)練內(nèi)容用于所有患者,缺乏針對(duì)性的治療方案,因而很難獲得不同于治療師輔助治療的康復(fù)效果。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)’腦電’肌電技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的集成，有望向患者提供全方位的刺激，全面促進(jìn)中樞神經(jīng)的重組和代償。這些結(jié)果將不僅對(duì)臨床研究神經(jīng)康復(fù)有巨大的指導(dǎo)意義， 而且為研究正常人的神經(jīng)控制與運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供了一個(gè)契機(jī)。

3.3 應(yīng)有被動(dòng)、主動(dòng)、助動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)模式

患者的病情千差萬(wàn)別，在不同的康復(fù)分期還具有不同的運(yùn)動(dòng)模式，因此，機(jī)器人提供的訓(xùn)練動(dòng)作應(yīng)能滿足具體患者的特殊訓(xùn)練需要，即盡可能完成多種動(dòng)作[6]。同時(shí)，康復(fù)訓(xùn)練必須針對(duì)不同的患者設(shè)計(jì)不同的康復(fù)方案， 并有針對(duì)性地提供訓(xùn)練所需要的各種參數(shù)——運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力參數(shù)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和力場(chǎng)的設(shè)計(jì)中考慮患者癱肢的特性。再者，機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)患者與機(jī)器人之間的相互作用力，在患者主動(dòng)能力不足時(shí)提供更大的輔助，而在患者有能力完成動(dòng)作時(shí)，適當(dāng)減小輔助甚至施加阻力，以便充分發(fā)揮患者殘存的功能。

4 下肢康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品市場(chǎng)

當(dāng)今，許多國(guó)家正在開(kāi)發(fā)各種功能齊全、操作簡(jiǎn)便安全性能高的下肢康復(fù)機(jī)器人。而下肢康復(fù)機(jī)器人作為一種醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人，也越來(lái)越多的受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

下肢康復(fù)機(jī)器人的現(xiàn)有種類包括站立式下肢康復(fù)機(jī)器人(瑞士 Hocoma圖2；美國(guó) Motorica圖3、LokoHelp圖1等)、坐式下肢康復(fù)機(jī)器人(瑞士Swrotek；美國(guó) Motorica等)。

在歐洲、美國(guó)和日本等國(guó)家，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)占有率呈逐年上升的趨勢(shì)[19]，僅預(yù)測(cè)日本未來(lái)機(jī)器人市場(chǎng)，2005年醫(yī)療、護(hù)理、康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)份額約為2500萬(wàn)美元，而到2010年將上升到10500萬(wàn)美元，其增長(zhǎng)率在機(jī)器人的所有應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)首位[20]。在美國(guó)，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的有神經(jīng)科疾病病史和受到過(guò)意外傷害的患者需要進(jìn)行康復(fù)治療，僅以中風(fēng)為例，每年大約有60萬(wàn)中風(fēng)幸存者，其中的20萬(wàn)病人在中風(fēng)后存在長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)障礙。

圖2 瑞士 Hocoma：技術(shù)特點(diǎn)：后驅(qū)動(dòng)；臨床特點(diǎn)：下肢被動(dòng)的行走運(yùn)動(dòng)；優(yōu)點(diǎn)：支撐部位多；缺點(diǎn)：步態(tài)模式單一，穿帶繁瑣。

圖3 美國(guó) Motorica：技術(shù)特點(diǎn)：前驅(qū)動(dòng)；臨床特點(diǎn)：下肢被動(dòng)的行走運(yùn)動(dòng)；優(yōu)點(diǎn)：穿帶簡(jiǎn)單, 便于調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)：步態(tài)單一。

圖4 瑞士：Swrotek。技術(shù)特點(diǎn):結(jié)合等速, 功能電刺激于一體；臨床特點(diǎn)：主動(dòng), 被動(dòng), 助動(dòng)相結(jié)合；優(yōu)點(diǎn)：功能性運(yùn)動(dòng)；缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)繁瑣。

自主的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練已成為基本而有效的療法，而形形色色的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，以其經(jīng)濟(jì)的價(jià)格，簡(jiǎn)易的操作，適時(shí)的病情反饋與康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)得到醫(yī)學(xué)專家和病人的肯定。在我國(guó)，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視，而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段，一些簡(jiǎn)單康復(fù)器械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)智能化、人機(jī)工程化康復(fù)機(jī)器人的需求。所以康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人廣闊的市場(chǎng)前景將推動(dòng)這一新型的技術(shù)得到更多重視與推廣。

下肢康復(fù)機(jī)器人能夠在輔助治療中確保患者的安全性，患者可以接受機(jī)器人訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練能獲得明顯的治療效果，康復(fù)效果具有長(zhǎng)期性。另外，機(jī)器人可以記錄詳實(shí)的治療數(shù)據(jù)及圖形，可能提供了客觀準(zhǔn)確的治療和評(píng)價(jià)參數(shù)，有助于機(jī)器人輔助治療偏癱研究的深入開(kāi)展, 具有改善康復(fù)效果和提高康復(fù)效率的潛力。

康復(fù)機(jī)器人主要作用于幫助由于疾病而造成偏癱，或者因意外傷害造成肢體運(yùn)動(dòng)障礙的人恢復(fù)提高運(yùn)動(dòng)能力。腦血栓患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用?？祻?fù)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化設(shè)備，可以幫患者進(jìn)行科學(xué)而又有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更好的恢復(fù)[21]。

隨著人口老齡化及激烈的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)，康復(fù)問(wèn)題將要成為一個(gè)社會(huì)問(wèn)題?？祻?fù)機(jī)器人及其系列產(chǎn)品將有廣泛的市場(chǎng)前景。

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Research on the Lower Limbs Rehabilitative Robot

XIE Yu-xiao BAI Wei ZHANG Yu Department of Rehabilitation Medicine, China-Japan Friendship Hospital (Beijing 100029)

1006-6586(2010)02-0005-05

R496

A

2010-02-08

謝欲曉，教授，碩士生導(dǎo)師，主任醫(yī)師，中日友好醫(yī)院物理康復(fù)科主任，中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)理事，副秘書(shū)長(zhǎng)、科普工作委員會(huì)副主任委員、運(yùn)動(dòng)療法專委會(huì)及康復(fù)醫(yī)學(xué)教育專委會(huì)常委，全國(guó)社區(qū)康復(fù)專委會(huì)副主任委員，中華物理康復(fù)專委會(huì)委員