手臂康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究現(xiàn)狀

姚又琳+張秋豪

摘要： 本文基于不同的干預(yù)方式深入分析了單邊上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和雙邊上肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和臨床試驗(yàn)結(jié)果。

Abstract： Based on the different intervention ways， the development status， structural characteristics and clinical trial results of unilateral and bilateral upper limb rehabilitation robot are analyzed deeply.

關(guān)鍵詞： 腦卒中；上肢康復(fù)機(jī)器人；單邊康復(fù)訓(xùn)練；雙邊康復(fù)訓(xùn)練

Key words： stroke；upper limb rehabilitation robot；unilateral rehabilitation training；bilateral rehabilitation training

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）33-0093-03

0 引言

腦中風(fēng)已成為導(dǎo)致殘疾的首要原因之一，2015年中風(fēng)人數(shù)達(dá)到120-180/10萬(wàn)人，其中大約75%中風(fēng)患者有明顯的后遺癥[1]。基于對(duì)神經(jīng)可塑性認(rèn)識(shí)不斷加深，越來(lái)越多地通過(guò)提供高度復(fù)雜的干預(yù)方式的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備產(chǎn)生。本文的主要目的是介紹和比較現(xiàn)有的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備對(duì)促進(jìn)腦卒中患者上肢康復(fù)的影響[2]。按干預(yù)方式的不同，上肢康復(fù)機(jī)器人可以分為單側(cè)訓(xùn)練模式和雙側(cè)訓(xùn)練模式。

1 單邊康復(fù)訓(xùn)練

單側(cè)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人代表性的是2DOF的MIT-Manusl[3]。MIT Manus可以給予患者被動(dòng)、主動(dòng)、阻尼三種訓(xùn)練模式，以圖形的形式將患者的運(yùn)動(dòng)信息反映到電腦屏幕上。位置和力傳感器可以記錄使用中手柄所到達(dá)和經(jīng)過(guò)的位置[4]，如圖1所示。 通過(guò)臨床試驗(yàn)表明MIT-MANUS 可以進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練并且能夠降低運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的損傷程度[5]。

芝加哥康復(fù)研究所等開發(fā)了一種康復(fù)訓(xùn)練器（ARM Guide，Assisted Rehabilitation and Measurement Guide）。如圖2所示，該設(shè)備有三個(gè)自由度，通過(guò)電機(jī)和磁粉制動(dòng)器完成直線方向的伸手運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)和提升運(yùn)動(dòng)。訓(xùn)練中可以達(dá)到5個(gè)不同位置目標(biāo)點(diǎn)的伸手運(yùn)動(dòng)。在患者訓(xùn)練中，通過(guò)運(yùn)動(dòng)跟蹤分析和系統(tǒng)測(cè)量患者手臂末端軌跡，動(dòng)作完成的柔順度，可以得知運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的效果[6]。

清華大學(xué)研制的UECM是國(guó)內(nèi)具有代表性的上肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。如圖3所示，UECM是2DOF的二連桿機(jī)構(gòu)，具有三種訓(xùn)練模式：主動(dòng)、被動(dòng)以及抗阻訓(xùn)練[7]。UECM能改變訓(xùn)練平面的角度，在人機(jī)信息交互上，具有雙視頻反饋的系統(tǒng)，可以讓患者的手和眼配合訓(xùn)練。

國(guó)內(nèi)較早開展外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人研究的單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)。如圖4所示，其設(shè)計(jì)的五自由度的外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)[8]。五個(gè)自由度分別由五個(gè)伺服電機(jī)控制肩關(guān)節(jié)屈伸、向內(nèi)外旋轉(zhuǎn)，肘關(guān)節(jié)的屈伸，腕部的屈伸和外伸內(nèi)收動(dòng)作，基于皮膚表面肌電信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制，完成手臂的康復(fù)訓(xùn)練。

2 雙邊康復(fù)訓(xùn)練

MIME（mirror-image motion enabler）是典型的雙側(cè)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[9]。肩、肘關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)是MIME系統(tǒng)的重點(diǎn)。如圖5所示，具有六自由度，MIME支持四種模式康復(fù)訓(xùn)練，單側(cè)的主動(dòng)訓(xùn)練、被動(dòng)訓(xùn)練、阻抗訓(xùn)練和雙手模式的鏡像訓(xùn)練。

MIME系統(tǒng)已被應(yīng)用在臨床試驗(yàn)。其中一個(gè)臨床試驗(yàn)是MIME系統(tǒng)對(duì)慢性中風(fēng)患者上肢康復(fù)的影響。27位患者經(jīng)過(guò)2個(gè)月的訓(xùn)練后，患側(cè)近端運(yùn)動(dòng)能力有較大改善獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)。但因試驗(yàn)中使用四個(gè)模式進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以不能確定單側(cè)還是雙側(cè)訓(xùn)練中哪個(gè)對(duì)康復(fù)貢獻(xiàn)更大。另外還有臨床試驗(yàn)對(duì)比單側(cè)模式和單側(cè)雙側(cè)結(jié)合的模式對(duì)康復(fù)的影響，得到結(jié)論是六個(gè)月內(nèi)單雙側(cè)結(jié)合模式的FMA評(píng)分更高，在六個(gè)月后兩個(gè)訓(xùn)練模式的差異消失。第三個(gè)RCT研究是對(duì)比高訓(xùn)練量和低訓(xùn)練量對(duì)康復(fù)的影響，54位中風(fēng)患者隨機(jī)分為高訓(xùn)練量、低訓(xùn)練量和常規(guī)訓(xùn)練三組。治療后發(fā)現(xiàn)高訓(xùn)練量組的FIM評(píng)分優(yōu)于常規(guī)訓(xùn)練組。在六個(gè)月后，這個(gè)差異將不再存在，但高訓(xùn)練強(qiáng)度組在肌張力方面顯著強(qiáng)于低訓(xùn)練強(qiáng)度組。但這種差異不能在訓(xùn)練后立即顯現(xiàn)[10]。

Bi-Manu-Track是由喬治敦大學(xué)醫(yī)學(xué)中心研制的由電腦控制的雙臂訓(xùn)練器[11]。如圖6所示。Bi-Manu-Track的訓(xùn)練方式有兩種分別是手臂的伸縮和手腕的伸縮。為了在移動(dòng)模式之間切換，設(shè)備可以傾斜90度。該設(shè)備支持三種康復(fù)訓(xùn)練模式，在被動(dòng)-被動(dòng)模式下，機(jī)器人控制著雙臂運(yùn)動(dòng)。在主動(dòng)-被動(dòng)模式下，當(dāng)機(jī)器人引導(dǎo)受損的上肢時(shí)，患側(cè)上肢主動(dòng)移動(dòng)手柄。在主動(dòng)-主動(dòng)模式下，兩臂通過(guò)克服最初的等距電阻來(lái)進(jìn)行主動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)可以是鏡像對(duì)稱的，也可以是平行的。振幅、速度和抗性都可以單獨(dú)設(shè)置。多次的臨床試驗(yàn)證明Bi-Manu-Track對(duì)中風(fēng)后手臂的康復(fù)具有一定的效果。目前Bi-Manu-Track已是在德國(guó)可以購(gòu)買的市售產(chǎn)品。

BFIAMT（bilateral force-induced isokinetic arm movement trainer）是一種雙臂等速訓(xùn)練器，如圖7所示，該裝置是由2個(gè)伺服電機(jī)2個(gè)平行的導(dǎo)向輥2個(gè)手柄2個(gè)前臂槽，2個(gè)負(fù)載單元和一個(gè)控制面板組成的手臂康復(fù)訓(xùn)練裝置[12]。BFIAMT的手柄可以向前和向后平行軌道運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中提供阻力或助力，并且負(fù)載單元可以檢測(cè)推拉力量。該裝置支持四種不同的治療模式：雙邊被動(dòng)、雙邊主動(dòng)-被動(dòng)、雙邊互惠，以及雙邊對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。臨床試驗(yàn)表明：接受BFIAMT康復(fù)治療的8周后患者的上肢功能評(píng)估（FMA，MAS，F(xiàn)renchay手臂測(cè)試）有明顯提高，并且患者的握力，推拉力都有所提高。endprint

Virtual Reality Piano（虛擬現(xiàn)實(shí)鋼琴），如圖8所示，是為腦卒中患者設(shè)計(jì)的上肢訓(xùn)練的虛擬環(huán)境系統(tǒng)。通過(guò)外骨骼的力反饋裝置，虛擬現(xiàn)實(shí)鋼琴可以為患者提供和真實(shí)鋼琴一樣的視覺，聽覺和觸覺感受。上肢跟蹤（帶有網(wǎng)絡(luò)手套）允許患者同時(shí)訓(xùn)練手臂和手作為一個(gè)協(xié)調(diào)的單位。虛擬現(xiàn)實(shí)鋼琴包括的歌曲和音階適用于單臂或雙臂同時(shí)演奏。觸覺輔助的適應(yīng)性強(qiáng)適用于更多的患者，同時(shí)通過(guò)算法調(diào)整任務(wù)難度匹配患者的訓(xùn)練表現(xiàn)。

EXO-UL7。EXO-UL7是一個(gè)雙臂外骨骼機(jī)器人，每個(gè)臂具有7個(gè)自由度，如圖9所示。 七個(gè)單軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)肩外展-內(nèi)屈、屈伸、內(nèi)外旋轉(zhuǎn)、肘關(guān)節(jié)屈伸、旋前旋后、腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、屈伸和放射性橈尺偏差。四個(gè)六軸力/扭矩傳感器連接到上臂、下臂、手和外骨骼的尖端，用于人機(jī)交互。與控制PC和游戲PC一起，患者可以在視頻游戲中操縱虛擬對(duì)象，同時(shí)接收觸覺反饋[13]。機(jī)器人可用于單邊和雙邊訓(xùn)練。 在單側(cè)模式中，患測(cè)受到弱輔助力的支持。在雙側(cè)模式中，所需的關(guān)節(jié)角度從較少受損的上肢（主）到最受損害的上肢（從屬）鏡像對(duì)稱地傳遞。

3 結(jié)論

通過(guò)使用雙側(cè)訓(xùn)練提高運(yùn)動(dòng)恢復(fù)已在幾個(gè)研究中證明[14]。雙邊訓(xùn)練還可能提供的麻痹肢體單側(cè)手術(shù)的改進(jìn)，而更不可能單方面的培訓(xùn)提供雙邊利益?？傮w而言，雙側(cè)上肢訓(xùn)練是從輕度到重度的多重程度的損傷恢復(fù)的有效方法。 基于末端執(zhí)行器的雙邊訓(xùn)練主要集中在近端上肢的康復(fù)，已證明可以減少住院時(shí)間和康復(fù)時(shí)間。由于上肢操作的耦合性質(zhì)，雙邊訓(xùn)練可以提供更全面有效的方法。研究對(duì)比單邊與雙邊訓(xùn)練的益處。雖然有證據(jù)支持雙邊培訓(xùn)，但迄今為止的結(jié)果并不是決定性的有利于雙邊訓(xùn)練。

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