氣動技術(shù)在腦卒中康復中的應用

徐奚嬌，徐秀林

腦卒中俗稱中風，是一種突然起病的腦血液循環(huán)障礙性疾病，具有高發(fā)病率、高致殘率等特點。我國第三次國民死因調(diào)查結(jié)果表明，腦卒中已經(jīng)升為中國第一位死因[1]。近二十年監(jiān)測結(jié)果顯示，腦卒中年死亡人數(shù)逾200萬。現(xiàn)幸存腦卒中患者700萬，其中450萬患者不同程度喪失勞動力和生活不能自理，致殘率高達75%[2]。目前，對于腦卒中的治療，醫(yī)學界普遍認定的方法是在前期加以手術(shù)和藥物治療，而后期即恢復期則進行適當?shù)目祻陀柧?，以恢復其運動功能?，F(xiàn)代康復醫(yī)學理論和實踐證明，康復訓練可以提高患者運動功能，幫助患者實現(xiàn)生活自理[3]。

氣動技術(shù)是氣壓傳動與控制技術(shù)的結(jié)合。它以壓縮空氣為動力源，帶動機械部件完成移動或旋轉(zhuǎn)動作，進行能量或信號的傳遞。氣動技術(shù)具有高速高效、清潔安全、低成本、易維護等優(yōu)點。近幾年，氣動技術(shù)越來越向便攜化、精密化、智能化、節(jié)能化方面發(fā)展[4]。氣動技術(shù)應用最典型的代表是機器人，其模仿人類的手腕、手臂以及手指，能正確迅速地完成做抓取或放開等細微動作[5]。

氣動技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應用愈見成熟，如國內(nèi)外牙科綜合治療臺運用氣壓傳動作為其主要工作動力[6]；呼吸機、麻醉機、微創(chuàng)器械[7]等都運用了氣動傳輸系統(tǒng)。一些康復器械需要運用驅(qū)動器來驅(qū)動，與電機驅(qū)動相比較，氣動驅(qū)動在安全性、柔順性、輕巧性等方面都有優(yōu)勢[8]。以下介紹氣動技術(shù)在腦卒中康復器械中應用現(xiàn)狀。

1 氣動人工肌肉

肌肉力弱是腦卒中患者常見的癥狀，嚴重影響患者的運動功能。研究表明，強化肌肉訓練對腦卒中患者的運動功能恢復有積極作用[9]；對于腦卒中力弱患者需進行適當?shù)臐u進式抗阻訓練。氣動人工肌肉是目前比較理想的仿生肌肉，它通過調(diào)節(jié)其內(nèi)部的氣壓來控制肌肉的收縮。氣動肌肉有輸出力大、使用簡單、可彎曲、柔性好、安全等優(yōu)點[10]，能實現(xiàn)傳統(tǒng)電動機所不能實現(xiàn)的彎曲變形等運動形式。

氣動人工肌肉的種類繁多，但其基本原理都是由氣壓控制的可收縮性驅(qū)動器[11]。應用氣動肌肉的康復裝置種類豐富，如仿生臂、機械手、關節(jié)驅(qū)動、動力行走機構(gòu)驅(qū)動等。最常見的是仿生機器人手臂。日本岡山大學研制一款新型的柔性氣動肌肉驅(qū)動器，可應用于機器人的手臂或其他康復器械等。該機械仿真手臂通過對氣動肌肉的控制，帶動人的手臂實現(xiàn)等速運動。機械仿真手臂具有3個自由度，其中兩個彎曲自由度及一個伸展-收縮自由度。機器人手臂用于康復治療分為兩種使用方法：主動控制運動和被動控制運動，這款機器人手臂通過嵌入式控制器能實現(xiàn)兩種運動的控制方法[12-14]。

2 氣動康復手套

越遠端的肢體部分，康復越困難，腦卒中患者手指功能恢復最難。為了使患者能夠恢復基本的手功能，達到生活自理的水平，需要穿戴康復手套對手指反復進行彎曲、伸張、握取等動作訓練[15]?？祻褪痔装凑镇?qū)動形式分為電機驅(qū)動與氣動驅(qū)動兩大類。電機驅(qū)動的康復手套結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、安全性能差，因而康復手套多用氣動驅(qū)動來實現(xiàn)。

目前，最先進的手部康復運動是在一個新穎的虛擬環(huán)境中，結(jié)合氣動設備進行手指康復訓練。美國Illinois大學Lauri設計的氣動手套，利用空氣壓力促使手指伸展收縮[16]。它由在手掌一側(cè)的定制氣囊及手背一側(cè)的萊卡面料組成，萊卡面料上有一個拉鏈開口，方便穿上和脫下手套。氣囊由聚氨酯材料合成，有5個獨立的通道，每個通道對應一個手指。在每個通道內(nèi)，空氣壓力產(chǎn)生一個伸展的力，幫助五指伸展，而且每個通道的氣路都是相對獨立的，它們各自連接一個氣動數(shù)字伺服閥，伺服閥提供的空氣壓力介于0～10 psi(1 psi=6.895 kPa)。由程序?qū)崿F(xiàn)上位機控制氣動手套工作。在虛擬環(huán)境中，患者使用氣動手套進行康復訓練時，不僅可以進行手指伸展和彎曲等動作的康復訓練，還可以感受到虛擬環(huán)境提供的觸覺反饋[17]。

3 氣動上肢康復裝置

腦卒中導致上肢運動功能受限，嚴重影響日常生活。上肢的康復訓練裝置主要幫助患者進行伸展、彎曲、舉起等動作訓練[18]。

目前氣動上肢康復訓練裝置的發(fā)展趨勢是設計便攜式、性價比高、柔順性好的外骨骼可穿戴的上肢康復手臂，采用此器械進行訓練時，患者手臂運動更加靈活一些，可實現(xiàn)更大的運動范圍。這些上肢康復裝置與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實康復訓練[19]，能使患者主動積極訓練。美國特蘭西瓦尼亞大學設計了一種新型柔性上肢康復裝置，采用氣缸與氣動柔性驅(qū)動器復合驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)多功能治療肩、肘、手關節(jié)康復；通過和上位機串口通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬環(huán)境下的康復運動訓練。被動訓練過程中，在自由訓練階段使用氣缸驅(qū)動，以相對較快的速度驅(qū)使上肢運動至極限活動位置；在拉伸訓練階段選用氣動柔性驅(qū)動器，使得上肢訓練過程平穩(wěn)且柔順。這種氣動方式可使驅(qū)動器與阻尼器合二為一，能極方便地實現(xiàn)患肢從被動到半被動，再到主動運動的康復訓練過程[20]。

4 氣動下肢助力康復裝置

腦卒中患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。器械輔助治療偏癱最有效方法是肢體的康復運動訓練。在康復初期，患者無法站立行走，多選用減重床進行被動訓練。在康復后期，患者能夠站立可進行行走訓練時，選用下肢助力機械裝置進行抬腿邁步行走等動作訓練[21]。

如今已有多種可穿戴式下肢外骨骼康復裝置研制出來，這些器械采用的驅(qū)動方式主要為伺服電機、液壓傳動等。但是，下肢外骨骼康復設備存在著適用性不廣泛，需要考慮其尺寸、所能承受的應力等，這些問題都限制患者的康復訓練[22]。日本岡山大學自然科學和技術(shù)學院的Sasaki研制了一款可穿戴式下肢助力康復器械，此器械可彌補下肢外骨骼康復設備的缺點。此裝置形似一條普通褲子，由尼龍綁帶將具有柔順性能的氣動驅(qū)動器固定在膝蓋部位。氣動驅(qū)動器內(nèi)設4個氣囊袋，囊內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生一個沿尼龍綁帶反向的力及膝關節(jié)處的一個軸向力。褲子的下端固定在鞋跟，將軸向力轉(zhuǎn)換成幫助下肢彎曲的扭矩。在氣動驅(qū)動器的氣囊內(nèi)分別充入0、30、50 kpa恒壓，就能輔助患者進行下蹲、站起、邁步、上下樓梯等康復運動[23]。

5 氣動減重步行訓練器

腦卒中患者進行一定時間的功能康復后，可進行步態(tài)行走能力訓練。減重步行訓練是近幾年來治療腦卒中偏癱步態(tài)的一種新方法[24]。訓練治療通過支持一部分體重，減輕下肢負重，使患肢實現(xiàn)重復練習完整的步行周期，延長患側(cè)下肢支撐期，也增加訓練的安全性。

氣動減重步行裝置常見的是懸吊式氣動減重步行器?；颊呒绮坑山墡Ч潭?，并由平行連桿機構(gòu)提拉，提拉的動力由氣彈簧配合氣缸驅(qū)動。該氣動減重步行器配有下肢矯形器，幫助患者進行步態(tài)的重塑[25]。然而，由于懸吊式減重力的支撐點與人體重心不重合，會產(chǎn)生力矩影響患者的舒適度。

為了克服上述懸吊式減重缺陷，讓患者在舒適安全的減重環(huán)境下進行訓練，美國AlterG公司設計研發(fā)出反重力步行器。它使患者腰部以下處于氣囊中，通過增加氣囊內(nèi)空氣壓力來提升患者，減重量最大可達到體重的80%。患者在該減重步行器上進行訓練時無任何不舒服感，步行的感受就如同在太空漫步一樣。該反重力步行器采用了差壓氣動技術(shù)，由氣泵造壓并控制氣壓變化，使囊內(nèi)氣壓能夠平穩(wěn)地舉起患者進行康復訓練[26-27]。

6 總結(jié)與展望

從國內(nèi)外康復器械研究狀況看到，氣動技術(shù)由于其在安全性、柔順性、高精度等方面的優(yōu)勢，在腦卒中康復醫(yī)療中應用廣泛。許多研究者開發(fā)出多種新型氣動元件，并與智能化、網(wǎng)絡化技術(shù)相結(jié)合，用于醫(yī)療康復領域中。

在我國，康復醫(yī)學工程還處于初期階段，氣動技術(shù)應用于康復運動器械的研發(fā)工作才剛起步，與國外相比有一定的差距。未來氣動技術(shù)應用于康復醫(yī)療發(fā)展趨勢有如下幾個方面：①開發(fā)氣動驅(qū)動與電設備一體化的機電氣一體化康復設備，并向智能化方向發(fā)展；②研發(fā)基于氣壓原理應用于康復醫(yī)療的新型驅(qū)動器，提高其驅(qū)動速度、可靠性等方面特性；③拓展氣動技術(shù)在康復領域的遠程系統(tǒng)及虛擬技術(shù)。

[1]陳明.學會吃，才是“健康國策”[N].生命時報,2012-01-10(12).

[2]吳兆蘇,姚崇華,趙東.我國人群腦卒中發(fā)病率、死亡率的流行病學研究[J].中華流行病學雜志,2003,24(3):236-239.

[3]中華醫(yī)學會神經(jīng)病學分會神經(jīng)康復學組,中華醫(yī)學會神經(jīng)病學分會腦血管病學組,衛(wèi)生部腦卒中篩查與防治工程委員會辦公室.中國腦卒中康復治療指南(2011完全版)[J].中國康復理論與實踐,2012,18(4):301-318.

[4]楊天興.氣動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應用前景[J].煤,2011,20(4):39-41.

[5]Nishioka Y,Suzumori K,Kanda T,et al.Multiplex pneumatic control method for multi-drive system[J].Sensors and Actuators A:Physical,2010,164(1-2):88-94.

[6]Boyle MA,O'Donnell MJ,Russell RJ,et al.Lack of cytotoxicity by trustwater ecasol used to maintain good quality dental unit waterline output water in keratinocyte monolayer and reconstituted human oral epithelial tissue models[J].JDentistry,2010,38(11):930-940.

[7]Hodgson S,Le MQ,Tavakoli M,et al.Improved tracking and switching performance of an electro-pneumatic positioning system[J].Mechatronics,2012,22(1):1-12.

[8]Qiu ZC,Wang B,Zhang XM,et al.Direct adaptive fuzzy control of a translating piezoelectric flexible manipulator driven by a pneumatic rodless cylinder[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2013,36(2):290-316.

[9]Madhavan S,Krishnan C,Jayaraman A,et al.Corticospinal tract integrity correlates with knee extensor weakness in chronic stroke survivors[J].Clin Neurophysiol,2011,122(8):1588-1594.

[10]Wickramatunge KC,Leephakpreeda T.Study on mechanical behaviors of pneumatic artificial muscle[J].Int J Eng Sci,2010,48(2):188-198.

[11]Jahanabadi H,Mailah M,Zain MZM,et al.Active force with fuzzy logic control of a two-link arm driven by pneumatic artificial muscles[J].JBionic Eng,2011,8(4):474-484.

[12]Aliff M,Dohta S,Akagi T,et al.Development of a simple-structured pneumatic robot arm and its control using low-cost embedded controller[J].Procedia Engineering,2012,41:134-142

[13]Anh HPH,Ahn KK.Hybrid control of a pneumatic artificial muscle(PAM)robot arm using an inverse NARX fuzzy model[J].Eng Appl Artificial Intelligence,2011,24(4):697-716.

[14]Minh TV,Kamers B,Ramon H,et al.Modeling and control of a pneumatic artificial muscle manipulator joint－Part 1:Mondeling of a pneumatic artificial muscle manipulator joint with accounting for creep effect[J].Mechatronics,2012,22(7):923-933.

[15]Kline T,Kamper D,Schmit B,et al.Control system for pneumatically controlled glove to assist in grasp activities[C].Chicago:Proceedings of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics,2005:78-81

[16]Connelly L,Stoykov ME,Jia Y,et al.Use of a pneumatic glove for hand rehabilitation following stroke[C].Minneapolis:31st Annual International Conference of the IEEE EMBS,2009:2434-2437.

[17]Connelly L,Jia Y,Toro ML,et al.A pneumatic glove and immersive virtual reality environment for hand rehabilitative training after stroke[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,2010,18(5):551-559.

[18]Kandel M,Beis JM,Chapelain LL,et al.Non-invasive cerebral stimulation for the upper limb rehabilitation after stroke:A review[J].Ann Phys Rehabil Med,2012,55(9-10):657-680.

[19]Morales R,Badesa FJ,Aracil NG,et al.Pneumatic robotic systems for upper limb rehabilitation[J].Med Biol Eng Comp,2011,49(10):1145-1156.

[20]Deaconescu T,Deaconescu A,Deaconescu T,et al.Pneumatic equipment for rehabilitation and mobilization of the upper limb[C].Proceedings of the International MultiConference of Engineersand Computer Scientists,Hong Kong,2011.

[21]Wu S,Jordan M,Shen X,et al.A pneumatically-actuated lower-limb orthosis[C].Boston:33rd Annual International Conferenceof the IEEEEMBS,2011:8126-8129.

[22]Sasaki D,Noritsugu T,Takaiwa M.Development of pneumatic lower limb power assist wear without exoskeleton[C].Akgarve,Portugal:2012 IEEE International Conference on Intelligent Robotsand Systems,2012:1239-1244.

[23]Muramatsu Y,Kobayashi H,Sato Y,et al.Quantitative performance analysis of exoskeleton augmenting devices-muscle suit-for manual worker[J].Int J Automation Tech,2011,5(4):559-567.

[24] Duncan PW, Sullivan KJ, Behrman AL, et al.Body-weight-supported treadmill rehabilitation after stroke[J].JMed,2011,364(21):2026-2036.

[25]Shibata Y,Imai S,Nobutomo T,et al.Development of body weight support gait training system using antagoinistic bi-articular muscle model[C].Buenos Aires:32nd Annual International Conference of the IEEEEMBS,2010:4468-4471.

[26]Figueroa MA,Manning J,Escamilla P.Physiological responses to the AlterG anti-gravity treadmill[J].Int JAppl Sci Tech,2011,1(6):92-97.

[27]Saxema A,Granot A.Use of anti-gravity treadmill in the rehabilitation of the operated Achilles tendon:A pilot study[J].J Foot Ankle Surg,2011,50(5):558-561.