翻译低供电行走康复下肢矫形器

1、低供电下肢行走康复辅具摘要体重支持的跑步机训练已成为一个突出的引导康复中心的步态康复方法。 这种类型的运 动训练有许多功能性的好处， 但劳动力成本相当大。 为了不耗费治疗师的精力， 若干组织已 经制定了协助跑步机的大型机器人装置。 机器人技术的最新进展实现了轻量级供电辅具的可 行性和实用性。 使用康复辅助供电辅具的优点是它们允许练习启动，转弯，停止， 并回避在地上行走时的障碍。关键词运动；外骨骼，运动训练；体重支持；机器人介绍神经损伤后的恢复依赖于运动学习的三个原则。 实践是第一个原则。 所有其他条件相同 的东西， 更多的学习会发生更多实践。 特异性是第二个原则。 提高电机性能的最佳方式的任

2、务就是执行特定电机的任务。 努力是第三个原则。 个人需要保持高度的参与和介入， 以促进 运动学习。 这三个原则对促进活动依赖的可塑性是至关重要的 （即通过激活这些途径改变疗 效和神经通路的激励模式） 。至于神经康复，重要的是要强调可塑性出现在神经的途径是活 跃的。因此，在特定任务下最大限度地的肌肉运用增加了潜在的塑性。 最近的一项研究，研 究上肢中风后的康复已经清楚地表明了这个前提。 被动的手臂动作诱导机器人提供部分小功 能效益导致操纵性客体特征瘫痪。 与此相反， 积极的手臂动作通过抵制机器人操纵性客体特 征从而提高运动能力。 目前的研究中最突出的步态康复方法是体重支持跑步机训练。 这是一 个

3、相对较新的技术，建立在基础科学对脊椎动物运动的神经控制的基础上。 切断脊髓猫也 可以通过训练用它们的后肢无负重的在跑步机上行走。 运动恢复与加强在跑步机上的练习是 远远比自然恢复效果好的。 通过对切断脊髓的猫的观察， 世界各地一系列的研究小组开始在 人类身上测试类似跑步机的范例。 通常情况下， 神经受损患者带着安全带以支撑他们的体重， 作为治疗师手动协助患者通过跑步机的运动来恢复他们的下肢。神经机理所涉及对体重支持的跑步机训练的理解是不完全的，但感官刺激似乎是关键 的。电机回收可能导致形成新的神经通路或修改现有的神经通路。 两者很可能都在一定程度 上做出了贡献。 脊髓和大脑每个都有接受相当活动

4、依赖性的塑性。 目前的科学证据并不能表 示一方或另一方在在人体行走的功能恢复更突出， 但最优恢复需要在这两个位置进行神经修 改。一项观察表明促使改善神经的变化需要适当的持续的感官刺激。 正因为如此， 体重支持 的跑步机训练的支持者支持建议某些 “脊髓运动规则” 应遵循最大化神经的恢复。 这些规则 包括：确保髋关节伸展的重要性，在双转向上的肢体有足够的负重，和横向重量支持阶段。 然而，体重支持跑步机训练还没有理想的训练参数的普遍协议。 例如， 跑步机的速度， 步频， 体重支持水平，和机械的援助金额。对临床医生和患者来说最重大最重要的就是运动训练的进步。 一些研究已经证明跑步机 训练可以帮助改善脊

5、髓损伤患者步行。 “最广泛研究近日发现， 80的患有慢性不完全性 脊髓损伤的轮椅病人在功能训练后获得行走能力。 一多中心研究机构对患有急性脊髓损伤的 患者进行体重支持的跑步机训练的临床试验刚刚结束， 但详细结果尚未公布。 鉴于异质性脊 髓损伤的对象和各种训练参数， 可以改变治疗师或中心， 这是不现实的期望所有的临床试验 的体重支持的跑步机训练都会产生类似的结果。 优化步态康复这种疗法将需要更多的调查来 研究不同的训练参数是怎样给患者带来不同的治疗效果。如果我们考虑在前面介绍的在支持三个学习动作的体重跑步机训练原则， 我们可以获得 改善这种治疗的洞察力。 在治疗的第一条原则 （即实践） 有一个明

6、确的限制。两个或两个以 上治疗师需要协助患者进行腿部运动以及稳定躯干。 此外跑步机训练量往往是有限的， 由教 员的耐力， 而不是病人的耐力。 这些因素都将在有限的临床资源给予压力， 从而减少实践的 金额，这是可能的。体重支持的跑步机训练显然解决了第二个原则的特殊性，但也有一些限制。通过辩论 在跑步机上行走如何转移似乎是一个问题。另一方面，如启动，停止，转弯，避开障碍物的 运动任务是不是代表最支持体重的跑步机训练范例。 运动训练的另一种形式可以为这些额外 的运动任务提供进一步的改善功能的能力。 第三个原则， 努力， 至少部分取决于治疗师选择 的参数。完整和不完整的临床脊髓损伤的患者都能证明在跑步

7、机上肌肉得到强劲的锻炼与 支持部分体重。 两个重要的训练参数体重支持水平和跑步机的速度已被证明可以改变肌肉的 状态。一直备受争议的第三个参数是手动援助金额。 对于不完全性脊髓损伤和行走能力有限 的患者， 一些医生认为， 最好就是让患者在自己的能力基础上通过跑步机训练。 他们的理由 是，治疗师的协助可能损害神经肌肉，并因此产生依赖性，因为它使病人处于被动。然而， 最近有证据表明不完全脊髓损伤患者表明在跑步机上步行时手动援助并不会减少肌肉的运 动。事实上， 如果在神经肌肉恢复之间存在差异， 那么在体重支持的手动援助下实际上增加 了肌电图振幅。 因此， 恐惧手动援助会减少肌肉的恢复和限制患者行走能力

8、，似乎是没有根据的。根据上述体重跑步机训练的局限性， 它似乎有一个互补的运动训练， 需要较少的治疗师 劳动和采用了广泛的运动任务。 我们建议，供电较低的肢体辅具， 可作为康复辅助作用。传 统上， 下肢辅具功能已固定， 要么限制关节活动范围或完全防止关节运动。 其目的是为了弥 补失去的机械功能（即辅助技术） 。另外，供电较低的肢体辅具，可以作为一种工具，以方 便让病人练习行走在临床的设置 （即康复）功能运动功能恢复。关键的区别是，最终目标在 患者不穿辅具的时候提高患者自身的功能能力。 然而， 要成为成功的康复设备， 辅具应有驱 动力，使他们促进适当的步态动态。 幸运的是， 机器人技术已大大进步，

9、 在过去的二十多年。 计算机处理器速度增加， 更强大的控制方法， 和轻量级的执行器和传感器都做了贡献。 下肢 假肢已清楚地受益于先进的技术。奥托博克C-腿，膝以上下肢假体与计算机处理器控制的膝盖阻抗， 是一个典型的例子。 在不久的将来会看到更先进的机器人技术， 可以纳入到供电 较低的运动训练下肢辅具。跑步机的步进机器人装置因为体重支持的跑步机训练有高治疗的劳动力需求， 世界各地的研究小组已经开发出一种机器人设备的主机，以协助跑步机的步进。这些机器的目的是要取代手动治疗的协助下， 增加的数量，同时减少治疗师耗费的精力加紧练习。两个设备都经过神经受损患者测试。Lokomat，由Hocoma开发，包

10、括机器人下肢连接到跑步机框架和体重支持系统的接口。病 人的腿绑在一个可调铝框上。 当病人在跑步机上训练时为髋关节和膝关节供电。 治疗师可以 监视系统，并协助进行必要的调整。 Lokomat 已被证明能有效的改善不完全脊髓损伤者的 行走能力。 另一台机器不与跑步机工作结合， 但具有相同的协助与支持部分体重的运动训练 的主要功能是的机械化步态训练师。 机械化的步态训练师使用曲柄摇杆齿轮系统， 提供类似 的肢体运动， 发生在一个椭圆形的区域。 与此设备的结果表明， 它至少是手动辅助体重支持 在中风后恢复行走能力的跑步机训练的成功。但并不是所有患者都可以用或避开障碍物。 严重受损虽然这些大型机器设备能

11、够解决治疗劳动力需求大的缺点，通用解决方案就能解决的。他们不会让用户练习地上行走，转动， 的患者显然从设备反复的稳定速度中获益， 但受损较小的患者可能会受益于更具挑战性的运 动任务。 机器人步进装置的另一个重要方面是， 他们没有在踝关节提供积极的协助。 他们依 靠在髋关节和膝关节的援助， 促使步进模式。 这对受损较少的患者来说可能是一个关键因素， 因为脚踝与髋关节或膝关节相比为正常行走提供了更多的功率。 如果患者不能练习步态， 包 括不能使脚踝进行伸展， 他们可能学习一种补偿步态， 而不是一个正常的步态。 脚踝伸展不 足导致的后果将是步态与代谢成本大大提高。 如果脊髓损伤患者想要训练正常行走而

12、进行积 极的脚踝联系行走那将是非常有益的。作为辅助技术的供电辅具工程师们一直在寻求建立电力驱动辅具，它可以代替与神经损伤个体失去的运动功能。 一些机器人辅具的第一个工作日可以追溯到 70 年代中期。在南斯拉夫 Miomir Vukobratovic 创造了在一个时代中的最先进的机型之一。他的装置采用气动执行器， 髋，膝，踝关节在正 面和矢状面提供协助。 对截瘫病人的临床试验表明， 辅具允许并且支持从栏杆缓慢步行。 在 类似的时间， 在美国威斯康星大学的阿里开发了一种具备双轴髋关节， 双轴脚踝的单轴膝盖 的液压辅具。 一个神经完好的主体穿了好几个小时的辅具， 证明它可以帮助行走更长的时间 并且保

13、持舒适。 阿里的电力驱动辅具，现在在伦敦的医学史博物馆，科学博物馆， 惠康博物 馆等展览。在意大利发展其电力驱动辅具的研发。 所有这些设备都基于进行测试人类的科目， 但他们并没有达到在更大范围内生产的条件。 随着更好和更小的驱动器， 传感器和计算机处 理器的到来， 电力驱动辅具将很快应用于临床。 麻省理工学院媒体实验室是一个专注于研究 纳入辅具和假肢新技术的学术实验室。导演休赫尔，已经开发了一个计算机控制的人工膝关节的腿。目前正在奥索进行商业销售。该实验室还开发了一个原型电力驱动的踝足辅具， 旨在协助足下垂患者。 另一种引领动力辅具在辅助技术发展的学术实验室是日本筑波大学实 验室。导演富野山阶

14、和他的实验室成员已开发出一种机电动力独具被称为HAL （混合辅助义肢）。它包括四个旋转的马达，协助基于力传感器和肌肉活化振幅的反馈都较低的四肢膝 关节和髋关节。该实验室日前宣布，他们计划在2005年底以少于 $ 20,000 美元的价格销售市面上版本的 HAL 。现在已经有少数公司研究较低电力驱动的下肢辅具等辅助技术的，比 如 Yobotics 公司，但最新的研究仍旧在学术实验室中进行。还有另一种旨在提高人体运动 能力和高于正常水平的动力辅具。 这类人类性能增强设备为神经功能完整的个体提供了超人 的运动功能。他们也被称为机器人外骨骼。在工业环境中，解决繁重或长时间工作问题。供电矫形康复辅具制造

15、的机器人设备可在多种环境中使用的一个主要障碍是能量密度。也就是说， 为了使设备更便携， 驱动器和电源存储 （例如， 电池） 必须是轻量级的， 同时还提供长时间的使用。 在过去，马达强大到足以协助人体运动必需要具备一个非常笨重和电池一个巨大的背包。 HAL 的创造者已经能够使用增强的机电马达和电池，大大降低了其供电辅具的重量。相比 之下， DARPA 资助的研究人员为延长工期已经采取新型的内燃机从而获得高功率的输出。 供电步态康复辅具不正视能量密度的问题。他们并不意味着是便携式或提供长期的功能替 代。他们的目的是为了在运动训练过程中通过鼓励适当的步态动力使得电机学习更方便。结果就是，计算机处理器

16、，能源供应，甚至驱动器没有辅具或用户。可提供电气，液压或气动 的能源，其中包括通过系绳电缆连接到一台台式电脑。供电辅具辅助技术和人类的性能增强所遇到的另一个问题是控制的可靠性。便携式机器人装置的控制策略和算法必须非常强大， 人机交互的安全。 机器人外骨骼的大多数开发商倾 向于基于力传感器的简单控制方法， 因为这样计算机处理器接收嘈杂反馈机会较少。 山阶和 他的同事们使用了不同反馈信号控制的 HAL ，包括力传感器和肌电图的组合。为便携式机 器人控制的肌电图存在一个潜在的缺点，那就是电极在现实世界的环境是相当脆弱的。供电步态康复辅具有很多方法解决控制问题，因为他们只在诊所或实验室使用。可以通过功

17、能强大的计算机完成数控加工。这可以让治疗师从数据库中可能的控制范式中选择，甚至可以在步态实践机器人实行援助时对幅度以及时机进行实时控制。如果病人对其中一种控制方法没有响应，治疗师可以很容易地改变控制方法。电脑还可以录制机器人援助和步态动力，允许治疗师对病人进行追踪治疗。随着时间的推移治疗师可以逐步减少矫形援助，让患者积极的自我参与。 几个研究开发组为运动康复训练正努力开发一种大型机器人装置，目前他们正试图在设备中实现这些想法。密歇根大学的气动辅具我们已经在美国密歇根大学人力实验室制定了帮助人类行走的气动动力辅具。踝足辅 具，膝踝足辅具是由碳纤维和聚丙烯相结合并且为每个患者定制相适合的辅具。钢铰

18、链关节允许矢状面运动，而人工气动肌肉提供屈伸扭矩。人工气动肌肉的优点是高功率输出，低驱动器的重量，和遵守自然规律。人工肌肉是在扩展橡胶膀胱内编织聚酯套管。膀胱膨胀，套管约束膀胱扩张，如果再加机械阻力那么气动肌肉就会缩短和/或产生力量。人工气动肌肉的力学性能已经非常详细的描述过了。供电辅具，舒适，轻便，允许正常范围内的步行运动。利用型辅具的动力，病人可以在跑步机上行走，可以练习地上运动，如启动，停止，转弯， 和回避阻碍。在运动神经完整的学科研究中，我们测试了几种不同的控制方法。其中一些包括肌电控制的（比如辅具扭矩是非线性相关的肌电幅度），脚踏开关控制（如辅具的扭矩是打开或关闭步态周期的阶段而定），按钮控制（辅具扭矩非线性与用户控制的活塞的位移）。当激活脚踏开关控制时，最简单的控制方法，电力驱动的踝、足辅具在正常行走其间可以生 成60%的正常踝关节力矩并可以执行 70