骨盆減重康復(fù)設(shè)備研究現(xiàn)狀和進展

于婷婷, 雷婉月, 陳志琪, 韓軼博, 任 武

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng), 453003)

骨盆是人體骨骼的支點，主要作用是支撐身體，在下肢康復(fù)減重訓(xùn)練中扮演著重要的角色。骨盆將力量從下肢轉(zhuǎn)移到軀干，并借助于軀干向前推進骨盆，將人體軀干質(zhì)心(COM)置于支撐腿上，以便另一條腿進行擺動[1]。骨盆還可以調(diào)節(jié)軀體COM的垂直運動，以減少行走時的能量消耗。近年來，計算機技術(shù)和人工智能不斷發(fā)展，促進了醫(yī)療設(shè)備的自動化和智能化，通過骨盆減重方法設(shè)計研制的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備在臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)上具有廣闊的發(fā)展前景。智能化的骨盆減重康復(fù)設(shè)備與核磁共振技術(shù)、肌電與機器人技術(shù)結(jié)合，可讓截癱患者在沒有任何平衡的幫助下按照預(yù)定步態(tài)行走，進而為截癱患者提供舒適化、高質(zhì)量的治療[2]。相比于傳統(tǒng)的康復(fù)設(shè)備，基于骨盆減重研發(fā)的新型智能設(shè)備有助于提高患者行走穩(wěn)定性和步態(tài)治療的效果，降低醫(yī)護人員工作負荷[3]。本文通過對國內(nèi)外骨盆減重方法在康復(fù)醫(yī)療中的研究進展進行綜述，為我國基于骨盆減重康復(fù)設(shè)備的發(fā)展提供參考。

1 骨盆減重的研究意義

骨盆減重是指在下肢癱瘓患者康復(fù)行走過程中，對患者軀干提供部分體質(zhì)量支持以提高患者行走穩(wěn)定性和平衡性的方法[4]。骨盆減重在臨床上彌補了傳統(tǒng)吊帶不能抵抗骨盆旋轉(zhuǎn)的缺點，它通過獲得患者骨盆的運動軌跡[5]，達到有效控制患者按照正常軌跡恢復(fù)自身步態(tài)的目的。目前，我國老齡化人口約占總?cè)丝跀?shù)的13.44%，并且由腦卒中、腦中風(fēng)等疾病或關(guān)節(jié)、脊髓損傷引起的人體運動障礙患者也有所增加。針對老人、患者的康復(fù)問題，一些下肢運動康復(fù)機械設(shè)備相繼誕生。下肢矯形器在醫(yī)療器械設(shè)備市場上占很大的比重[6]，其通過力的作用來預(yù)防和矯正畸形，能夠起到一定程度的治療效果。但在長期的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的下肢矯形器在使用中不能抵抗患者骨盆的旋轉(zhuǎn)，從而影響患者的步態(tài)。有些矯形器自重過大束縛了患者的雙手，需要借助外人的幫助才能進行正?？祻?fù)訓(xùn)練。因此骨盆減重對患者步態(tài)的康復(fù)有重要意義。

2 國內(nèi)外骨盆減重康復(fù)設(shè)備研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

骨盆減重方法的應(yīng)用始于21世紀，目前在國外已有不少的康復(fù)設(shè)備經(jīng)過臨床實驗驗證并投入到患者的康復(fù)治療當(dāng)中。

圖1 骨盆輔助機械手(PAM)

2.1.1 骨盆輔助機械手(PAM)： 2003年，Ichinosel等[7]采用PAM的方法，設(shè)計出在跑步機上用來測量和控制患者盆腔運動的機器人裝置(圖1)，此種方法記錄的骨盆運動軌跡對現(xiàn)有的運動康復(fù)訓(xùn)練提供了很好的數(shù)據(jù)支持。

2.1.2 機器人裝置KineAssist和盆腔輔助操作器： 2005年，Peshkin等[8]針對患者康復(fù)過程中的行走問題，以提高穩(wěn)定性和平衡性為目的，采用對患者軀干提供部分體質(zhì)量支持和姿勢轉(zhuǎn)矩的方法，研發(fā)了一種可保持患者平衡能力的機器人裝置KineAssist。同年，Aoyagi等[9]使用反饋控制算法協(xié)助主體改變他們的步長和周期，進而研發(fā)一種盆腔輔助操作器。

2.1.3 機電體重支持系統(tǒng)： 2006年，Lalonde等[10]采用被動彈性元件和電力驅(qū)動器提供恢復(fù)力的方法，通過可調(diào)節(jié)長度的繩索連接患者和電力驅(qū)動器，開發(fā)了一種新型的機電體重支持系統(tǒng)，對提高人體步態(tài)康復(fù)的治療效果具有重要意義。2007年，針對膝骨關(guān)節(jié)炎患者，F(xiàn)regly等[11]采用建立成本函數(shù)的方法，在傳統(tǒng)步態(tài)運動基礎(chǔ)上進行改良，使膝關(guān)節(jié)內(nèi)收扭矩降到最低，從而對患者的步態(tài)變化進行更準確地預(yù)測。2009年，新墨西哥州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)波動的恢復(fù)力可以降低地面反作用力，基于此原理提出的骨盆支撐系統(tǒng)在步行輔助機器人中有重要的應(yīng)用[12]。

2.1.4 新型下肢矯形器WalkTrainer： 2008年，Stauffer等[13]針對截癱患者的康復(fù)問題設(shè)計了一種由腿部和骨盆矯形器組成的裝置WalkTrainer，此技術(shù)是利用機器人技術(shù)和閉環(huán)肌肉刺激對截癱患者進行康復(fù)訓(xùn)練，為以后康復(fù)設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2009年，WalkTrainer團隊采用生物力學(xué)的方法，通過動態(tài)模擬和機械設(shè)計，設(shè)計出一種新型的下肢矯形器[14]，主要由輕質(zhì)外骨骼組成的人腿-機器界面和由電機及傳感器組成的機械腿兩個部分。新型的下肢矯形器在截癱患者的臨床試驗中體現(xiàn)出了更好的步態(tài)治療效果。

2.1.5 盆腔輔助操作器： 由關(guān)節(jié)或脊髓受損造成骨盆不能正常運動的患者逐漸增多，骨盆矯形器、盆腔輔助操作器相繼誕生。2010年，Watanabe等[15]設(shè)計出輔助盆腔運動的無源裝置，首先對不同體質(zhì)量的受試者進行建模，找到骨盆旋轉(zhuǎn)的時間軌跡，并確定設(shè)備的最佳設(shè)計參數(shù)，再進行仿真。實際使用中將該裝置與患者骨盆相連接，對其施加適當(dāng)外力進而使在跑步機上運動的患者的骨盆能夠按照正常的軌跡進行運動。

2.1.6 步態(tài)訓(xùn)練器： 2011年，在美國舉辦的智能機器人研討會議中，針對下肢受損患者在地面移動平臺上的行走轉(zhuǎn)彎問題，研制出一種步態(tài)訓(xùn)練器，其根據(jù)逆運動學(xué)分析，提出了一種同步運動生成方法：即預(yù)先設(shè)定好人體盆腔的運動軌跡，并指定出十個點，從指定步長和高度獲得腳踝的運動曲線，最終根據(jù)指定點進行曲線擬合，測評結(jié)果表示該裝置具有有效性和平滑性[16]。2013年，Kai等[17]針對患者的站立問題，以防止患者跌倒為目的，設(shè)計出一種利用恒力彈簧支撐患者局部體質(zhì)量的減重裝備，骨盆減重設(shè)備得到進一步的發(fā)展。同年，哥倫比亞大學(xué)針對步態(tài)康復(fù)的骨盆運動問題，提出了新的控制方法來指導(dǎo)和改變橫向骨盆的運動[4]，其利用電纜驅(qū)動的骨盆機器人在橫向平面上施加導(dǎo)向力，不增加骨盆的外部運動約束，結(jié)果表明，該策略可以糾正不同患者群體的異常骨盆軌跡，能夠引導(dǎo)和糾正骨盆的軌跡，達到節(jié)能和平衡步態(tài)的目的。

2.1.7 步行康復(fù)機器人(COWAL)： 2014年Shin等[18]通過人體步態(tài)運動和身體測量數(shù)據(jù)，引入新的人體元特征，采用K-NN算法合成主體的個性化骨盆運動，進而研發(fā)出具有骨盆運動訓(xùn)練能力的步行康復(fù)機器人COWAL。同年，Otani等[19]在利用彈簧加載倒立擺模型的基礎(chǔ)上提出了SLIP2模型來改善跑步機器人。該模型由身體、腿和骨盆三部分組成，采用控制骨盆振動、跑步速度和上身穩(wěn)定的方法，實現(xiàn)機器人的跳躍和跑步。

2.1.8 恒壓推力裝置(CPFD)： 2014年，Lenzo等[20]提出了一種新的恒壓推力裝置CPFD，該裝置利用具有彈簧串聯(lián)機械手為設(shè)備提供重力平衡并保持恒定。相關(guān)實驗采用評估外力對步態(tài)運動和時間影響的方法進行試驗驗證，得出該裝置能夠施加大致恒定的推力，影響主體的節(jié)奏以及髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動，并能降低步行的代謝成本。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2013年，南京大學(xué)針對跑步機運動康復(fù)問題，以減輕患者部分下肢支撐體質(zhì)量為目的，通過動力學(xué)仿真實驗，得出體質(zhì)量支撐系統(tǒng)可以補償任何期望的重力和慣性力量[21]，具有實際減少系統(tǒng)附著人員質(zhì)量的作用，骨盆減重設(shè)備在國內(nèi)逐漸發(fā)展開來。同年，中國西安交通大學(xué)針對中風(fēng)或脊髓損傷后住院患者的步行康復(fù)問題，應(yīng)用了新的下肢矯形器[4]，該設(shè)備由8個自由度的動力外骨骼、骨盆支撐的主動體質(zhì)量支撐系統(tǒng)、跑步機和腳踏車四個主要模塊組成。2014年，北京工業(yè)大學(xué)針對人體運動控制問題，以捕捉人體運動為目的，設(shè)計了一種可穿戴的系統(tǒng)裝置[22]。該系統(tǒng)由皮帶、接頭和連桿組成，利用角度編碼器、力傳感器和姿態(tài)傳感器元件直接捕捉拍攝對象的運動軌跡，為新型的康復(fù)設(shè)備提供了理論支持與數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3 小結(jié)

骨盆減重是通過減輕患者的自身質(zhì)量，輔助患者行走，達到下肢康復(fù)的目的。骨盆減重裝置根據(jù)患者的骨盆運動軌跡進行康復(fù)，不會在訓(xùn)練康復(fù)的過程中對肌肉造成痙攣。骨盆減重在臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)上具有廣泛的應(yīng)用前景，相對于傳統(tǒng)的康復(fù)手段，骨盆減重減輕了治療師和患者的負擔(dān)，最大限度提高人體步態(tài)康復(fù)治療效果。當(dāng)然，目前骨盆減重設(shè)備尚處于發(fā)展階段，其自身還存在局限性，如一些可穿戴的系統(tǒng)裝置，因患者的身材大小而無法得到有效的契合，本研究就骨盆減重設(shè)備進一步需要探究的問題概括如下：①檢測骨盆運動軌跡在骨盆康復(fù)設(shè)備的研發(fā)中非常重要，但由于其參數(shù)多，肌肉活動的階段性等因素，使骨盆的運動軌跡難以測量和分析，因此如何改進測量裝置和算法，提高減重康復(fù)設(shè)備的生成軌跡與自然步態(tài)的擬合度是未來研究的熱點。②骨盆減重具有自身的局限性，在步行輔助機器人中，恒定力的控制問題是研究中遇到的難題。③減重訓(xùn)練至少需要2名治療師的配合，如何改進減重康復(fù)裝置，使其達到人員配比的高效化，減少人員投入也將是將來研究的熱點和難點。④如何更好地將骨盆減重設(shè)備與核磁共振、肌電等技術(shù)相結(jié)合也是未來需要進一步完善的方面。雖然骨盆減重方法在臨床試驗中尚處于研究試驗階段，還沒有大面積推出有效的康復(fù)治療設(shè)備，但隨著科技和國家經(jīng)濟水平的提高，在臨床康復(fù)治療中骨盆減重方法可以為提高我國相應(yīng)患者的康復(fù)質(zhì)量提供技術(shù)和設(shè)備支持。

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