面向冬奧冰雪運(yùn)動損傷康復(fù)機(jī)器人研制

榮鐵成，賈秀賢

（張家口市第二醫(yī)院，河北 張家口 075000）

0 引言

第24屆冬季奧林匹克運(yùn)動會（XXIV Winter Olympic Games）又稱2022年北京冬季奧運(yùn)會，舉辦地為北京和張家口。隨著本屆冬奧會時間逐漸推進(jìn)，相關(guān)工作也有條不紊的進(jìn)行中，當(dāng)然也包括冰雪運(yùn)動損傷的預(yù)防、治療和護(hù)理等。結(jié)合既往冬奧會、殘奧會相關(guān)實(shí)例來看，冰雪運(yùn)動損傷中的急性運(yùn)動損傷發(fā)生率極高，常規(guī)康復(fù)方法整體康復(fù)周期相對較長，療效不顯著，在加上冰雪運(yùn)動損傷存在顯著的多器官、多組織損傷特點(diǎn)，傳統(tǒng)的理療康復(fù)手段單一，康復(fù)治療人員儲備不足等問題必須得以有效解決，也是本屆冬奧會技術(shù)保障的迫切需求?？纱┐魍夤趋罊C(jī)器人是目前全球范圍內(nèi)最先進(jìn)的康復(fù)機(jī)器人，如HAL、eLEGS、REX及ReWalk系列（圖1）等[1-4]。這種基于仿生原理和結(jié)合人體工程學(xué)設(shè)計的機(jī)器人，在佩戴后既可確保人體自由度與機(jī)器人運(yùn)動模式同軸，也可極大提升脊髓損傷、創(chuàng)傷性腦損傷、多發(fā)性硬化癥等疾病患者的康復(fù)訓(xùn)練效果，如ReWalk系列（以色列）業(yè)已在歐洲、美國等市場中得以應(yīng)用，可滿足多種患者的訓(xùn)練需求。同時，來自歐洲某跨領(lǐng)域國際研究團(tuán)隊(duì)所設(shè)計的軟體仿生外骨骼機(jī)器人（XoSoft）還可直接將其穿在身上[6]，如圖1-b（概念圖），產(chǎn)品原型已于2019年推出。

圖1 康復(fù)機(jī)器人實(shí)例圖

相較于國外環(huán)境而言，國內(nèi)與康復(fù)機(jī)器人相關(guān)的研發(fā)卻完了幾十年，但隨著我國科技水平的整體提升，康復(fù)機(jī)器人業(yè)已得到國內(nèi)醫(yī)療領(lǐng)域的高度關(guān)注與重視，經(jīng)各大康復(fù)研究機(jī)構(gòu)和高校科研單位的不斷努力，也取得相應(yīng)成果，如清華大學(xué)研發(fā)的二自由度（2-DOF）、華中科技大學(xué)研發(fā)的三自由度（3-DOF）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的五自由度（5-DOF）等機(jī)器人以及廣州一康研發(fā)的A1-下肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)、A2-上肢智能反饋訓(xùn)練系統(tǒng)、A3-步態(tài)訓(xùn)練與評估系統(tǒng)、A4-手功能訓(xùn)練與評估等[7-11]不僅應(yīng)用于臨床，且取得了較好治療效果。須注意的是，雖然上述國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)所研究的機(jī)器人在腦脊神經(jīng)損傷康復(fù)中取得了較好的臨床效果，但由于其所涉及的范疇多集中在嚴(yán)重運(yùn)動性或者創(chuàng)傷性的神經(jīng)損傷的長期康復(fù)和治療方面，故對運(yùn)動型損傷的快速應(yīng)急康復(fù)治療卻關(guān)注度不夠或尚未關(guān)注。因此，本課題將在結(jié)合既往研究的基礎(chǔ)上，提出基于人體整體訓(xùn)練（將人體作為一個整體）的全身康復(fù)及多種手段耦合一體化的康復(fù)新理念，結(jié)合2022年北京冬奧會開展針對全身、多功能模塊擠成、耦合多種康復(fù)增強(qiáng)物理療法的運(yùn)動型損傷專業(yè)機(jī)器人研究，以提高冰雪運(yùn)動員可能存在的運(yùn)動性損傷的整體康復(fù)效率，提升其康復(fù)效果，促進(jìn)其快速回復(fù)運(yùn)動能力，為2022年北京冬奧會和殘奧會的高水平、高質(zhì)量保駕護(hù)航。報道如下所述：

1 康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計

結(jié)合既往冬奧會與殘奧會冰雪運(yùn)動員的損傷后的康復(fù)治療案例來看，運(yùn)動性損傷康復(fù)機(jī)器人的基體部分主要是多功能床體。故為幫助冰雪運(yùn)動員運(yùn)動損傷后能盡快從運(yùn)動性損傷中恢復(fù)，多功能床體的設(shè)計必須能有效的配合運(yùn)動員的運(yùn)動損傷情況開展有針對性的個性化康復(fù)訓(xùn)練。因此，本課題中康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計主要從運(yùn)動員運(yùn)動損傷康復(fù)的需求角度和醫(yī)護(hù)人員康復(fù)角度出發(fā)，適應(yīng)性的解決運(yùn)動型損傷問題，這也是本文將康復(fù)機(jī)器人設(shè)計為能滿足臥姿、坐姿、站姿等3種模式[12]于一身的原因，目的是為解決以下幾個問題：首先，對嚴(yán)重性運(yùn)動性損傷者采用臥式康復(fù)訓(xùn)練；其次，待運(yùn)動性損傷得以緩解后（或無需臥式康復(fù)訓(xùn)練者）科學(xué)、合理配合以坐式康復(fù)訓(xùn)練；再次，待運(yùn)動性損傷程度較輕（或無需臥式、坐式康復(fù)訓(xùn)練者）、肢體擁有一定運(yùn)動能力者開展站式康復(fù)訓(xùn)練，圖2所示。多功能床體主要由背部半結(jié)構(gòu)、外接式座位板、外接式床板結(jié)構(gòu)、位姿變換結(jié)構(gòu)（含翻折機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)等兩個板塊）及其他輔助性結(jié)構(gòu)等5個部分構(gòu)成[13]，安全性、可靠性、實(shí)用性均滿足。多功能床體相關(guān)配套設(shè)施包括簡單易用型智能訓(xùn)練系統(tǒng)，智能上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練評估系統(tǒng)，智能康復(fù)機(jī)器人按摩評估系統(tǒng)、智能下肢運(yùn)動強(qiáng)化訓(xùn)練評估系統(tǒng)（圖2），康復(fù)評定與人體運(yùn)動信息提取系統(tǒng)（EMG、EEG），肝腫瘤熱消融超聲影像導(dǎo)航系統(tǒng)等。

圖2 多功能床體總體合計的三維模型圖

2 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案選定與構(gòu)建

2.1 人體尺寸范圍標(biāo)準(zhǔn)

為滿足冬奧會與殘奧會中冰雪運(yùn)動員的實(shí)際需求，本課題的康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案的選擇均依據(jù)《中華人民共和國體育法》相關(guān)原則，參照《運(yùn)動員技術(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)(2019年版)》（體競字[2019]40號）中與人體尺寸范圍相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時為滿足本屆冬奧會和殘奧會后本系統(tǒng)能更好的投入醫(yī)療市場，為普通運(yùn)動性損傷患者的臨床治療造福祉，本文還參照《全國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)》（GB10000-1988）摘錄和（或）編訂了兩個（男、女）人體尺寸表，包括百分位數(shù)、身高（cm）、上臂長（mm）、前臂長（mm）、坐肩高（mm）及肩寬（mm）等7項(xiàng)，如表1、表2，以避免由于康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)不合理使患者的康復(fù)訓(xùn)練存在不良反應(yīng)，對康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)生厭煩心理。

表1 BCI+EXO組及常規(guī)訓(xùn)練組FMA、ARAT、WMFT評分比較(，分)

表1 BCI+EXO組及常規(guī)訓(xùn)練組FMA、ARAT、WMFT評分比較(，分)

指標(biāo)（分） 組別 治療前 治療后 t值 P值FMA BCI+EXO 組 22.12±13.17 41.63±13.93 -4.656 0.002常規(guī)訓(xùn)練組 19.00±13.74 22.25±14.02 -7.348 0.00 F值 0.146 5.273 P值 0.710 0.045 ARAT BCI+EXO 組 25.37±11.99 41.75±13.12 -5.829 0.001常規(guī)訓(xùn)練組 20.75±7.54 25.00±10.03 -3.400 0.042 F值 0.485 4.963 P值 0.502 0.048 WMFT BCI+EXO 組 38.00±17.40 63.62±22.55 -5.896 0.001常規(guī)訓(xùn)練組 29.50±17.82 33.00±20.15 -2.425 0.094 F值 0.627 5.235 P值 0.447 0.045

表1 人體主要尺寸（男）

表2 人體主要尺寸（女）

為了滿足不同運(yùn)動型康復(fù)患者要求，本文所設(shè)計的肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)范圍應(yīng)盡量的覆蓋上面表格中的尺寸，并且在機(jī)器人與人肢體接觸處的地方，尺寸比例遵循人體解剖學(xué)，使得機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更合理，讓患者穿戴機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時感到更舒適。參照人體肩關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)將康復(fù)機(jī)器人的自由度分成3部分，表3所述，康復(fù)機(jī)器人的自由度簡圖如圖3所述。并按照此標(biāo)準(zhǔn)康復(fù)機(jī)器人的于運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

表3 肩關(guān)節(jié)運(yùn)動參考值的極限范圍

圖3 康復(fù)機(jī)器人自由度簡圖

2.2 康復(fù)機(jī)器人的姿態(tài)運(yùn)動

2.3 康復(fù)機(jī)器人的動力學(xué)分析

式（4）中的Ii為質(zhì)心處的轉(zhuǎn)動慣量。故當(dāng)康復(fù)機(jī)器人有n個連桿時，康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的動能之和（K）的計算公式：

2.4 運(yùn)動性損傷康復(fù)醫(yī)療基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析及實(shí)驗(yàn)

針對目前常用的運(yùn)動康復(fù)周期長、療效不顯著的問題，結(jié)合冬奧會以及冬殘奧會過程中多器官、多組織的損傷特點(diǎn)，對運(yùn)行性損傷的基礎(chǔ)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，將單一功能康復(fù)治療和多功能康復(fù)治療手段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，識別運(yùn)行性損傷康復(fù)治療的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及影響機(jī)制，并應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)研究，從而獲得運(yùn)動性損傷多功能耦合康復(fù)機(jī)理，為運(yùn)動性損傷康復(fù)機(jī)器人的研制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)要求。

2.5 康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)優(yōu)化

針對上下肢康復(fù)、主被動運(yùn)動康復(fù)及耦合按摩、電療、磁療、熱療等多功能康復(fù)要求，在運(yùn)動性損傷多功能耦合康復(fù)機(jī)理基礎(chǔ)上，整合康復(fù)機(jī)器人的功能需求和耦合治療方法，將機(jī)械、物理等多種療法合理集成進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人上下肢運(yùn)動機(jī)構(gòu)、主被動運(yùn)動機(jī)構(gòu)、運(yùn)動員力量訓(xùn)練機(jī)構(gòu)等運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計，不同的功能部件形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，便于模塊組合和安裝，也便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和提高產(chǎn)品的一致性。

2.6 機(jī)器人多功能耦合功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及康復(fù)醫(yī)療專家數(shù)據(jù)庫建立與實(shí)現(xiàn)

針對冬季冰雪項(xiàng)目運(yùn)動損傷特點(diǎn)和快速康復(fù)訓(xùn)練要求，結(jié)合張家口市第二醫(yī)院的醫(yī)療優(yōu)勢，開展康復(fù)機(jī)器人多功能耦合功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，采用多功能耦合康復(fù)機(jī)器人對運(yùn)動康復(fù)參數(shù)和理療康復(fù)參數(shù)進(jìn)行精確控制，驗(yàn)證并提升多功能耦合的康復(fù)效果。并根據(jù)主被動機(jī)械康復(fù)訓(xùn)練模塊、運(yùn)動員力量恢復(fù)訓(xùn)練模塊、多種理療手段（按摩、熱療、磁療）等機(jī)器人多功能耦合康復(fù)醫(yī)療實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建專家數(shù)據(jù)庫。運(yùn)動性損傷康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的部分功能，如圖4所述：

圖4 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的部分功能與管路分割與重建

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 BCI+康復(fù)外骨骼機(jī)器人臨床效果優(yōu)于常規(guī)訓(xùn)練

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，選取51例（其中BCI+EXO組27例、常規(guī)訓(xùn)練組24例）腦卒中患者為研究對象。臨床試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)康復(fù)治療基礎(chǔ)上增加腦機(jī)界面（BCI）技術(shù)結(jié)合手外骨骼機(jī)器人訓(xùn)練（EXO）相比常規(guī)訓(xùn)練，可使大部分腦卒中患者手功能出現(xiàn)明顯改善，F(xiàn)ugl-Meyer運(yùn)動功能（FMA）、上肢運(yùn)動研究量表（ARAT）及運(yùn)動功能測試量表（WMFT）評分均較治療前有顯著提高。

3.2 BCI+外骨骼訓(xùn)練與常規(guī)訓(xùn)練中樞機(jī)制比較

如圖6所述，經(jīng)腦卒中患者訓(xùn)練后靜息態(tài)磁共振信號多模態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)評估發(fā)現(xiàn)，BCI+EXO組的大腦半球間及同側(cè)半球間不同腦區(qū)功能連接數(shù)量及相關(guān)性改善較常規(guī)訓(xùn)練組顯著更優(yōu)。

圖5 腦卒中患者進(jìn)行BCI+EXO訓(xùn)練

圖6 BCI+EXO訓(xùn)練前后腦區(qū)功能連接（FC）數(shù)量變化

圖7 常規(guī)訓(xùn)練前后腦區(qū)功能連接（FC）數(shù)量變化

圖8 反復(fù)BCI+EXO訓(xùn)練后的腦區(qū)功能連接（FC）數(shù)量變化

3.3 BCI+EXO訓(xùn)練可促進(jìn)涵蓋多感覺區(qū)的運(yùn)動通路完整

經(jīng)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，BCI+EXO訓(xùn)練前后腦卒中患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)變化與臨床評分之間有相關(guān)性，如視覺、聽覺、感覺、等腦區(qū)變化與臨床評分顯著相關(guān)。

3.4 肌束的彈性系數(shù)比較

經(jīng)7名腦癱兒童6周被動拉伸和主動運(yùn)動綜合（BCI+EXO）訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，其肌束長度增加（比目魚?。⊿OL）：8%，P=0.018；腓腸內(nèi)側(cè)（GM）：3%，P=0.018），羽狀角降低（SOL：10%，P=0.028；GM：5%，P=0.028），束狀僵硬度降低（SOL：42.17%，P=0.128；GM：21%，P=0.018），肌腱長度減少（6%，P=0.018），跟腱肌腱僵硬度增加（32%，P=0.018），楊氏模量增加（20%，P=0.018）。如圖9所述：

圖9 跟腱肌腱的生物力學(xué)特征實(shí)驗(yàn)曲線

3.5 下肢選擇性控制能力評估和功能性結(jié)果測量

如圖10所述，經(jīng)柔性被動和主動互動訓(xùn)練控制技術(shù)觀測的小兒平衡量表（PBS）6分鐘行走、定時上升（Timed Up-and- Go）、被動運(yùn)動范圍（PROM）及主動運(yùn)動范圍（AROM）等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)（訓(xùn)練6周）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PROM、AROM和屈曲、背屈肌肉的劑量均顯著遞增（P分別=0.002、0.020、0.001，P<0.05），腳踝肌肉痙攣顯著減少（P=0.01），選擇性神經(jīng)控制顯著改善（P=0.005）；下肢功能平衡性顯著改善（P=0.0025），且6分鐘內(nèi)步行距離增加（P=0.025）。

圖10 下肢選擇性控制能力評估與功能項(xiàng)結(jié)果測量

結(jié)論，經(jīng)3.4、3.5實(shí)驗(yàn)總結(jié)來看，被動拉伸與主動運(yùn)動相結(jié)合的訓(xùn)練方式在此次試驗(yàn)中對腦癱兒童的關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性、神經(jīng)控制能力和平衡行走功能有顯著促進(jìn)效果。

4 結(jié)論

綜上所述，目前運(yùn)動性損傷康復(fù)以人工為主，輔以單一的、局部的康復(fù)訓(xùn)練器材或輔以物理療法，而針對全身甚至耦合多種康復(fù)治療手段的訓(xùn)練器械未見報道。全身康復(fù)及多種手段耦合一體化的康復(fù)是將人體作為一個整體進(jìn)行訓(xùn)練，將提高康復(fù)效率，提升康復(fù)效果，是運(yùn)動性損傷康復(fù)的新理念。本課題基于這一新理念，結(jié)合2022冬奧會冰雪運(yùn)動的康復(fù)訓(xùn)練需求開展針對全身的、多功能模塊集成的、耦合多種康復(fù)增強(qiáng)物理療法的運(yùn)動性損傷康復(fù)專業(yè)機(jī)器人研究，相關(guān)產(chǎn)品國內(nèi)外未見報道，具有技術(shù)創(chuàng)新性。研究成果將提升康復(fù)效率，使運(yùn)動員快速恢復(fù)運(yùn)動能力，對更好保障2022冬奧會和冬殘奧會的高質(zhì)量、高水平有益。