腦卒中上肢康復訓練機器人的研究進展與展望

胡鑫，王振平，王金超，喻洪流

·專題·

腦卒中上肢康復訓練機器人的研究進展與展望

胡鑫，王振平，王金超，喻洪流

本文對國內(nèi)外腦卒中上肢康復訓練機器人研究進行分類，并對其發(fā)展現(xiàn)狀進行簡要介紹，最后對其未來的發(fā)展趨勢進行展望。

腦卒中；康復機器人；上肢；綜述

[本文著錄格式]胡鑫，王振平，王金超，等.腦卒中上肢康復訓練機器人的研究進展與展望[J].中國康復理論與實踐,2014, 20(10):901-904.

我國是腦卒中高發(fā)的國家之一。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國40歲以上腦卒中患者已達1036萬人，每年新發(fā)病人數(shù)高達200萬人[1]。其中70%～80%的患者因為殘疾而無法獨立生活[2]。而在這類患者中，上肢受損者占絕大多數(shù)?，F(xiàn)代康復理論和實踐證明，腦卒中后及時進行康復訓練可以有效恢復患肢運動功能，從而提高患者的滿意度，降低可能因長期護理而產(chǎn)生的高額費用，減輕社會壓力、節(jié)約社會資源[3]。

康復訓練機器人是一種將傳感、控制、信息、康復醫(yī)學、生物力學、機械學等諸多學科融合在一起的新型機器人技術(shù)，這種技術(shù)在康復醫(yī)療領(lǐng)域的應用近年來成為各國研究的一個熱點方向[4]。依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學(evidence-based medicine,EBM)和持續(xù)被動運動(continuous passive motion,CPM)理論，通過康復機器人的協(xié)助，可使患者無需醫(yī)護人員全程協(xié)助，依照不同偏癱情況進行主/被動康復訓練，這種高效的治療方式可使患者更快地恢復健康，并可一定程度彌補我國康復醫(yī)療資源不足的現(xiàn)狀[5]。

1 分類

現(xiàn)在全世界的上肢康復訓練機器人有著繁多的種類，依據(jù)其各自不同的應用部位、訓練模式和使用方式，可通過表1的幾種分類方法對目前的上肢康復訓練機器人研究成果進行分類。

本文主要按照使用方式分類法對國內(nèi)外腦卒中上肢康復機器人的研究現(xiàn)狀進行介紹，并對各研究成果的特點和應用進行簡要分析。

2 研究現(xiàn)狀

康復機器人技術(shù)在美國、日本和歐洲的一些老齡化現(xiàn)象嚴重的發(fā)達國家受到廣泛重視，在這些國家起步較早，且近年來發(fā)展勢頭迅猛，誕生了很多已產(chǎn)品化投入市場的優(yōu)秀研究成果。而在我國，康復機器發(fā)展程度與發(fā)達國家有著較大的差距[9]。隨著我國老齡化進程的加劇和政府對老年人、殘疾人康復產(chǎn)業(yè)關(guān)注的日益增加，近年來也出現(xiàn)一些上肢康復機器人產(chǎn)品。

2.1 非穿戴式

MIT-MANUS是由美國麻省理工學院研發(fā)的一種上肢康復機器人，共有6個自由度和3個可選訓練模塊：平面模塊、手腕模塊和手部模塊，可以輔助患者進行主/被動混合訓練。其中平面模塊可牽引患者的肘和前臂在水平面上做2個自由度平移運動；手腕模塊提供3個自由度的阻抗訓練，可輔助患者的前臂和手腕關(guān)節(jié)進行活動；而具有1個自由度的手部模塊則可以輔助患者手掌部分的關(guān)節(jié)進行抓握活動訓練。此外，MIT-MANUS還可采集位置、速度、力等信息以供分析，同時將訓練運動狀態(tài)的相關(guān)信息顯示到電腦屏幕上為患者提供視覺反饋[10]。

表1 上肢康復訓練機器人的分類方法

美國華盛頓大學研發(fā)的CADEN-7(cable-actuated dexterous exoskeleton for neurorehabilitation)具有7個自由度外骨骼動力臂。該機器人采用繩索傳動方式以減少運動時的轉(zhuǎn)動慣量，并可以實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)肩、肘、腕多個關(guān)節(jié)的復合運動。整個機械結(jié)構(gòu)為可逆驅(qū)動設(shè)計，可以輔助患者進行主動訓練，并對整個訓練過程進行監(jiān)控和診斷。此外，該系統(tǒng)還配有整合19種日常生活上肢運動的訓練運動數(shù)據(jù)庫，具有豐富的訓練模式。目前該機器人正在進行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和日常生活輔助方面應用的設(shè)計[11]。

iPAM Mk1(intelligent Pneumatic Arm Movement)是由英國利茲大學研發(fā)的一種上肢康復機器人，整個機構(gòu)分兩個支撐模塊(上臂模塊和腕手模塊)，每個模塊各3個自由度，可通過雙模塊聯(lián)動輔助患者進行主動/被動訓練，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)引導患者完成各種簡單的訓練任務，增強訓練融入性和趣味性，并可以對相關(guān)訓練數(shù)據(jù)進行記錄和分析[12]。

意大利Technobody公司研發(fā)生產(chǎn)的MJS(Multi-Joint System)可實現(xiàn)以肩關(guān)節(jié)為主的多關(guān)節(jié)上肢康復運動。該機器人通過氣動環(huán)路控制進行肩關(guān)節(jié)的3個自由度主/被動運動、肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的主動運動與肩關(guān)節(jié)的輔助/抗阻運動，同時具有完整的肩關(guān)節(jié)評估系統(tǒng)，以及任務導向式視覺聽覺反饋訓練系統(tǒng)，可進行被動訓練、等張訓練及本體感受訓練三種不同的訓練[13]。

由瑞士蘇伊士大學研制的ARMin是一種具有7個自由度的半外骨骼式上肢康復機器人，具有被動訓練、游戲治療和作業(yè)導向式治療(task-oriented training)三種訓練模式。其中作業(yè)導向式治療結(jié)合傳感器和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，患者在機器人的協(xié)助下進行運動，一只虛擬手臂會在虛擬環(huán)境中還原患者動作，完成拿取/放置物體等一系列的日常作業(yè)活動。此訓練模式增強了康復訓練與日常生活的聯(lián)系，幫助患者更快恢復日常生活能力。目前已成功推出第三代產(chǎn)品ARMinⅢ[14]。

上海理工大學研發(fā)的智能交互式上肢康復機器人，可以實現(xiàn)被動、輔助、抗阻、等速等訓練模式。該機器人系統(tǒng)的動力系統(tǒng)集中于底座，對普通非穿戴式外骨骼機器人機械臂體積大、慣量大、噪音大的缺點進行優(yōu)化。通過語音、表面肌電信號(surface electromyography,sEMG)、觸摸，可對機器人進行智能/遠程交互控制，并擁有記錄實時數(shù)據(jù)及進行虛擬現(xiàn)實訓練等功能[15]。

上海交通大學研制了一種具有重力平衡功能的多個自由度康復機器人。該系統(tǒng)可供患者進行上肢，包括肩(屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋、外擺/內(nèi)收)、肘(屈曲/伸展、前臂內(nèi)旋/外旋)、腕(屈曲/伸展、外展/內(nèi)收)等關(guān)節(jié)共7個自由度的主動運動訓練。該系統(tǒng)可以與任何包括主動運動訓練內(nèi)容的康復療法結(jié)合使用，是一種較為通用的訓練系統(tǒng)。該機器人還具有相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊，可以收集使用者的訓練數(shù)據(jù)[16]。

哈爾濱工業(yè)大學設(shè)計了一種面向偏癱患者、可實現(xiàn)單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)運動的5個自由度穿戴式上肢康復機器人。該機器人根據(jù)偏癱患者上肢單側(cè)受損的特點，利用偏癱患者健肢運動的sEMG驅(qū)動康復機械臂，從而輔助患肢實現(xiàn)康復訓練。此訓練方法可實現(xiàn)患肢動作的精確控制，從而保證訓練安全，還可以提高患者運動積極性，有助于保持正確運動的感覺，并為研究患者受損上肢sEMG與肌肉運動的關(guān)系打下基礎(chǔ)[17]。

2.2 穿戴式

穿戴式外骨骼康復訓練機器人因重量輕、便于攜帶的特點，近年來成為康復機器人的一個熱點發(fā)展方向[18]?；颊咄ㄟ^佩戴外骨骼機器人可以隨時隨地進行訓練，還可以對日常生活活動進行一定程度的輔助。

由美國Myomo公司推出的MPower1000是一款可家用的穿戴式腦卒中康復機器人。該產(chǎn)品提供肘關(guān)節(jié)1個自由度的康復訓練，具有輕巧便攜的特點，重量只有846 g。在MPower1000肘部支撐角靠近皮膚一側(cè)，有用于檢測使用者微弱sEMG的肌電傳感器，通過采集的sEMG可控制機器人協(xié)助患者完成肘關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展等訓練動作，還可通過協(xié)助患者完成一些簡單的日?；顒?舉起物品)來使其手臂運動能力逐漸得到恢復。該機器人還有易于使用的控制按鍵和內(nèi)置的藍牙功能，可以與外部應用程序和系統(tǒng)進行實時通訊，以便于記錄訓練相關(guān)數(shù)據(jù)，讓患者使用更為便捷、訓練更加高效[19]。

柏林工業(yè)大學研制了一種外骨骼手部機器人。該設(shè)備采用力感應裝置感應患肢手指關(guān)節(jié)(緊繃/放松)的微弱力信號、上肢拮抗肌的sEMG為引導，驅(qū)動電機拉動繩索來帶動整個外骨骼運動，從而帶動患肢進行康復運動訓練。該設(shè)計手指機械結(jié)構(gòu)支持4個自由度，設(shè)備支持16個自由度的運動傳感[20]。

由澳大利亞悉尼科技大學研發(fā)的穿戴式外骨骼手部機器人采用5個獨立電機，可驅(qū)動患者的5個手指完成單獨活動或進行聯(lián)動。此設(shè)備基于雙側(cè)肢體聯(lián)動會提高康復訓練效果的理論研制[21]。訓練時，患者健肢穿戴一只安裝了傳感器的控制手套，通過采集患者健肢的運動信號，帶動患肢按照與健肢相同的方式進行運動[22]。

由日本筑波大學研發(fā)的HAL-5是目前最為成熟的穿戴式外骨骼機器人產(chǎn)品。這種外骨骼通過采集使用者的sEMG進行驅(qū)動，從而輔助使用者進行一系列的活動[23]。HAL-5的特點是采用模塊化設(shè)計，可由整機(全身輔助訓練)拆分為各個獨立功能模塊，以滿足使用者不同的需求。①全上肢模塊：可輔助上肢功能障礙患者進行進食等日常活動，也可對正常人進行力量增強輔助其搬運重物[24]。②肘部單關(guān)節(jié)模塊：此模塊小巧輕便(3 kg)，采用鋰電池，一次充電可進行2 h左右的單關(guān)節(jié)單個自由度訓練。此外還附帶便攜式訓練檢測器，實時掌握訓練數(shù)據(jù)[25]。③下肢模塊：輔助搬運病患，輔助患者日常行走，結(jié)合跑步器械搭建訓練平臺可具有行走訓練等功能[26]。

目前HAL-5機器人的最新一代樣機被歐美等發(fā)達國家的康復醫(yī)院以租借形式進行臨床實驗，不久將投入市場。

由香港理工大學研發(fā)的外骨骼手機械訓練系統(tǒng)通過采集患者皮膚sEMG控制手部開合。機器人內(nèi)置調(diào)節(jié)器，可按照患者的手指長度來調(diào)整和裝嵌。整個機器人結(jié)構(gòu)輕巧便攜，利于腦卒中患者使用?？捎苫颊咭庵局鲃舆M行手部的開合訓練和幫助患者處理簡單的日常生活事項[27]。

上海理工大學康復工程與技術(shù)研究所研制的Rehand穿戴式外骨骼手部訓練機器人系列，通過兩個電機和聯(lián)動機構(gòu)實現(xiàn)手部的多個自由度運動，采用適應手指屈伸的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，使患者佩戴更加舒適，而機構(gòu)的自鎖功能設(shè)計進一步提高了訓練安全性。該機器人具有互動式生物反饋訓練、語音控制互動式訓練和雙側(cè)手同步訓練等多種訓練模式。訓練器整體重量(含控制系統(tǒng))小于500 g，可由患者輕松攜帶，從而達到康復訓練與輔助日常生活的效果[28]。

華南理工大學研發(fā)了一種具有5個自由度的上肢可穿戴便攜式康復外骨骼機器人。這種機器人的所有自由度都由患者的sEMG驅(qū)動，從而使患者能有意識地進行肢體訓練。該機器人具有可穿戴和便攜的特性，可以成為輔助腦卒中偏癱患者進行日常運動的新方式。在訓練過程中，患者的所有康復運動數(shù)據(jù)，包括患者sEMG數(shù)據(jù)和每個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)，都會被相應的傳感器采集，方便對訓練數(shù)據(jù)進行在線分析和離線記錄[29]。

3 總結(jié)與展望

通過對本文列舉的研究成果進行分析，現(xiàn)在腦卒中上肢康復訓練機器人大部分還屬于不可便攜的非穿戴式設(shè)備，這些設(shè)備笨重且昂貴，無法滿足廣大腦卒中患者的使用需求。

而近年來新興起的外骨骼穿戴式機器人則反映了未來的發(fā)展趨勢：①小型、輕型化，穿戴式的康復機器人更實用便捷，方便患者日常使用；②智能化，自適應與人機交互與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)合進行康復訓練；③網(wǎng)絡(luò)化，可進行遠程服務，采集數(shù)據(jù)進行分析；④家庭化，一般使用成本低、安全性好的材料，便于產(chǎn)品的普及；⑤模塊化，針對不同的患者使用不同訓練模塊。

隨著我國人民生活水平的不斷提高，老年人、殘疾人、偏癱患者等對肢體健康的追求越來越高，范圍也越來越廣。應用康復機器人技術(shù)不僅能減輕康復師負擔，提高效率，且能對康復過程提供更精確的控制和更豐富的模式選擇，因此具有很好的醫(yī)學應用價值[30]。

2012年，國家相繼發(fā)布《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等重要文件[31]，康復機器人毫無疑問已成為我國下一階段發(fā)展的重點方向。

但相對于歐美等發(fā)達國家，該產(chǎn)業(yè)在我國尚處于起步階段，設(shè)備大多由國外進口，成本昂貴，維修不便。為了改變這一現(xiàn)狀，康復機器人產(chǎn)業(yè)在我國未來的發(fā)展有以下幾個重點方向：①開拓產(chǎn)業(yè)思路，適應世界先進發(fā)展趨勢；②實行醫(yī)工合作，鼓勵創(chuàng)新設(shè)計；③完善相關(guān)科研政策，進行重點扶持；④優(yōu)化產(chǎn)品注冊，簡化繁瑣程序。

巨大的社會需求和國家的大力支持使上肢康復機器人在我國的發(fā)展有著必然性和可行性，相信在不久的將來，康復機器人在我國會成為康復養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)重要的一環(huán)，讓更多的患者重獲健康。

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Progress and Prospects of Upper Limb Rehabilitation Robot for Stroke Patients(review)

HU Xin,WANG Zhen-ping,WANG Jin-chao,YU Hong-liu.School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China

In this paper,the classification of the upper limb rehabilitation robot was discussed and the research progress was overviewed.Finally,the prospects of upper limb rehabilitation robot were put forward.

stroke;rehabilitation robot;upper limb;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.001

R743.3

A

1006-9771(2014)10-0901-04

2014-04-15

2014-04-23)

上海市科技支撐項目(No.12441903400)。

上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院康復工程與技術(shù)研究所，上海市200093。作者簡介：胡鑫(1989-)，男，漢族，河北黃驊市人，碩士研究生，主要研究方向：康復工程。通訊作者：喻洪流。E-mail:yhl98@hotmail.com。