MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練器下肢康復(fù)效果影響因素的模擬仿真分析①

高愛麗，高榮慧，王勇，姜禮杰

傳統(tǒng)康復(fù)方式是利用簡單的康復(fù)器械，或治療師與患者一對一治療，存在效率低、費(fèi)用高、醫(yī)師勞動強(qiáng)度大、難以量化評估康復(fù)訓(xùn)練效果等問題。以機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練代替康復(fù)治療師一對一治療成國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1-2]。近年來，國內(nèi)外研制出了多種運(yùn)動形式的康復(fù)機(jī)器人，如腳踏式[3-5]、可穿戴的外關(guān)節(jié)機(jī)器人[6-10]、臥式下肢康復(fù)機(jī)器人[11-14]、減重機(jī)器人[15-18]等。在四肢康復(fù)訓(xùn)練中，德國MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安全可靠，廣泛應(yīng)用于各大康復(fù)機(jī)構(gòu)，并在臨床上取得良好康復(fù)效果[19-21]。以前研究主要集中在它的有效性、經(jīng)濟(jì)性等方面，而缺少對于MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練器有關(guān)因素對肢體康復(fù)效果影響的研究。眾所周知，患者有高矮胖瘦之分，病情也有輕重緩急之別；即使同一患者在不同的康復(fù)訓(xùn)練階段，對康復(fù)訓(xùn)練的要求也不盡相同。顯然，目前粗放式的康復(fù)訓(xùn)練難以滿足當(dāng)下患者個性化、精準(zhǔn)化訓(xùn)練的需求[22-23]。探討MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練器有關(guān)因素對肢體康復(fù)效果的影響，可為醫(yī)生針對個體差異制定精細(xì)化康復(fù)訓(xùn)練方案提供參考。

MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備是一種在同一平面內(nèi)類似踩踏自行車實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動軌跡的循環(huán)運(yùn)動設(shè)備。研究表明，MOTOmed康復(fù)踏車運(yùn)動不僅可以增強(qiáng)患者肢體關(guān)節(jié)活動度，提高協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，而且能夠通過對患者下肢肌群的不斷刺激，逐漸增強(qiáng)患者的肌力與耐力，提高關(guān)節(jié)靈活性、肌肉強(qiáng)度和行走能力[24-25]。MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練器可根據(jù)患者所處不同的康復(fù)期，提供被動、輔助和主動3種訓(xùn)練模式，模式之間能智能識別與切換，提高康復(fù)訓(xùn)練效率，達(dá)到最佳康復(fù)效果[26-28]；配合一些傳感器，可實(shí)時監(jiān)測并顯示痙攣，采取相應(yīng)措施提醒醫(yī)護(hù)人員有意識地對稱訓(xùn)練；可針對不同的個體需求設(shè)定訓(xùn)練方向、時間、阻力、速度、電機(jī)功率等參數(shù)，并提供訓(xùn)練分析與報告。

1 人體下肢模型的建立

人體下肢骨骼結(jié)構(gòu)主要包括4個球副關(guān)節(jié)和2個旋轉(zhuǎn)副關(guān)節(jié)，共14個自由度(圖1)，可做復(fù)雜空間運(yùn)動；但矢狀面內(nèi)的屈伸運(yùn)動是下肢的主要運(yùn)動形式[29-30]。從下肢損傷者康復(fù)的角度看，實(shí)現(xiàn)人體下肢在矢狀面內(nèi)的屈伸運(yùn)動是康復(fù)訓(xùn)練的首要目的。人體下肢在矢狀面內(nèi)運(yùn)動是對稱的，二者相位相差180°，因此只需研究其中一側(cè)肢體運(yùn)動狀態(tài)即可。

圖1 人體下肢主要關(guān)節(jié)示意圖

臨床上對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時，考慮到患者安全，常在腳踏板上安裝小腿護(hù)具，將小腿和腳與訓(xùn)練器踏板固連，這樣就限制了踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動，減少1個自由度。因此，在建立模型時可將小腿和腳簡化為一個剛體來研究，此時，人機(jī)模型簡化為平面閉環(huán)鉸鏈四桿模型(圖2)：曲柄CD，人體小腿BC，大腿AB，座椅和踏車訓(xùn)練器腳踏軸心的高度差A(yù)O，距離為OD。

圖2 人體單側(cè)下肢踏車運(yùn)動簡化模型

2 下肢踏車動作的運(yùn)動學(xué)分析

將人體的下肢及踏車運(yùn)動的曲柄簡化為桿件，建立笛卡爾直角坐標(biāo)系得到機(jī)構(gòu)的矢量方程。設(shè)曲柄CD長度為L1、與水平面夾角為θ1；小腿BC長度為L2、與水平面夾角為θ2；大腿AB長度為L3、與水平面的夾角為θ3，膝關(guān)節(jié)夾角為θ23；逆時針為正，角度單位為rad；ωi是各桿的速度，單位為r/s；αi為各桿角加速度，單位為r/s2。

四桿機(jī)構(gòu)的封閉矢量位置方程式：

對(1)式進(jìn)行歐拉公式展開：

化簡，求得踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的角位移θ2、θ3為：

其中，

膝關(guān)節(jié)的角位移為：

對下肢關(guān)節(jié)的角位移對時間求導(dǎo)，則下肢踝關(guān)節(jié)角速度ω2、髖關(guān)節(jié)角速度ω3和膝關(guān)節(jié)角速度ω23為：

對下肢各關(guān)節(jié)的角速度對時間求導(dǎo)，則踝、膝、髖關(guān)節(jié)角加速度α2、α3和α23分別為：

3 仿真分析

患者與正常人步態(tài)之間，除了時間、距離等差別外，更常用關(guān)節(jié)角度進(jìn)行比較。在步行周期中，膝關(guān)節(jié)角度變化最大[31]，因此本研究選取膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角位移作為衡量肢體康復(fù)的指標(biāo)進(jìn)行探討。

對使用MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練器的患者來說，大小腿的長度固定不變。選取GB10000-88《中國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)》中18～60歲5～99百分位成年男子尺寸。用控制變量法，討論S、H、L1及角速度ω1變化對人體膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度的影響。

根據(jù)國家規(guī)定，座椅椅面的高度一般為380～450 mm[32]。取康復(fù)訓(xùn)練器曲柄軸心高度為300 mm。高度差H=椅面高度+大腿半徑-訓(xùn)練器腳踏曲柄軸心高度。

3.1 座椅位置S

S取500～700 mm，ω1=10 r/min，H=165 mm，身高為95百分位，分析一個2π圓周運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)，膝關(guān)節(jié)角運(yùn)動變化。

在取值范圍內(nèi)，S不但影響膝關(guān)節(jié)的起始、末尾關(guān)節(jié)角度，對膝關(guān)節(jié)的活動范圍也有一定的影響：隨著S增大，膝關(guān)節(jié)角位移也隨之增大(圖3)。

膝關(guān)節(jié)角速度呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，隨著S增大，膝關(guān)節(jié)角速度曲線振幅增大，速度曲線的最值也隨之提前出現(xiàn)，曲柄在135～210°范圍時，S幾乎對角速度變化沒有影響(圖3)。

S對膝關(guān)節(jié)角加速度的影響不大。但當(dāng)曲柄處于345°時，會有一個超過2.2 r/s2的突增(圖3)。當(dāng)S值超過某一值時，加速度會產(chǎn)生較大的突增，可能對膝關(guān)節(jié)造成一定沖擊，易造成患者二次傷害。

3.2 座椅高度H

取S=550 mm，AB=505 mm，BC=403 mm，ω1=10 r/min，H取150～250 mm范圍進(jìn)行分析。

H影響膝關(guān)節(jié)的起始、末尾角度，以及膝關(guān)節(jié)角位移。在曲柄位于45～135°時，H對膝關(guān)節(jié)角位移影響不大(圖4)。

H對膝關(guān)節(jié)角速度影響較小，在曲柄處于約90°和270°時，角速度達(dá)到最值(圖4)。

H幾乎不對加速度產(chǎn)生影響(圖4)。

圖3 座椅位置對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響

圖4 座椅高度對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響

3.3 曲柄長度L1

取H=165 mm，S=550mm，AB=505 mm，BC=403 mm，ω1=10 r/min，L1取150～250 mm范圍進(jìn)行分析。

隨著L1增加，膝關(guān)節(jié)角位移范圍明顯增加；同時，角速度、角加速度范圍均明顯增加(圖5)。調(diào)節(jié)L1增大膝關(guān)節(jié)活動度時，要慎重考慮由于角加速度變化對肌肉產(chǎn)生的二次傷害。

3.4 曲柄轉(zhuǎn)速ω1

取H=165 mm，S=550 mm，AB=505 mm， BC=403 mm，ω1取1～60 r/min。

圖5 曲柄長度對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響

ω1對膝關(guān)節(jié)角位移無明顯影響；但對膝關(guān)節(jié)角速度和角加速度影響明顯。ω1較低時，角加速度變化平穩(wěn)；ω1增快時，膝關(guān)節(jié)速度和加速度范圍相應(yīng)增大(圖6)，有可能造成患肢的二次傷害。

3.5 患者身高

取S=550 mm，H=165 mm，L1=180 mm，ω1=10 r/s，患者身高取1583～1814 mm范圍進(jìn)行分析。

隨著身高的增加，關(guān)節(jié)角位移、角速度、角加速度范圍明顯變小(圖7)。采用MOTOmed進(jìn)行訓(xùn)練時，在相同運(yùn)動條件下，對不同的身高人群，應(yīng)調(diào)節(jié)座椅高度、相對位置或者曲柄的長度，以適應(yīng)不同個體在不同康復(fù)階段對膝關(guān)節(jié)角度的需要，達(dá)到個性化、精細(xì)化康復(fù)的目的。

圖6 曲柄轉(zhuǎn)速對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響

圖7 患者身高對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響

4 結(jié)論

本研究通過理論分析和模擬仿真，探討MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練器影響膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練效果的相關(guān)因素，提出針對不同使用者及不同康復(fù)期，應(yīng)調(diào)整相關(guān)因素的參數(shù)，達(dá)到預(yù)期要求。本文結(jié)果可以為醫(yī)生制定更加個性化、精準(zhǔn)化的MOTOmed康復(fù)訓(xùn)練方案提供理論參考。

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