下肢步态康复机器人慢性训练与运动训练的协调

下肢步态康复机器人慢性训练与运动训练的协调

0态度康复机器人的出现和发展中风后3个月内，约1.3例死亡的患者无法恢复步行功能，只能以典型的不对称步骤行走。同时,他们的步行速度和耐力也明显减退。年老或残疾引起的有效功能减退的增加迫使研究人员关注如何通过康复治疗让患者恢复以前的有效功能。因此,如何改善患者的行走功能,提高其生活自理能力,使其最大限度回归社会是当前需要研究的重要课题。目前对神经系统伤病所致肢体功能障碍的康复治疗主要依赖于治疗师一对一的徒手训练,难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求,特别是在国外,人工训练的成本很高;另外康复评价也多为主观评价,不能够实时监测治疗效果。为解决这些康复训练过程中出现的问题,需要安全、定量、有效及可进行重复训练的新技术,康复机器人的出现从某种程度上解决了这一问题。步态康复训练机器人按动力输入方式可分为腿部驱动和足底驱动两种类型。腿部驱动步态康复训练机器人通过牵引患者大腿和小腿协调摆动完成腿部步行动作,足底驱动步态康复训练机器人通过驱动患者足部模拟步行过程中踝关节的运动轨迹来进行步态训。文章就针对下肢步态康复机器人的研究进行综述。1数据和方法1.1数据来源1.2选择基准(1)具有原创性,论点论据可靠的试验文章。(2)观点明确,分析全面的文章。排除标准:(1)与此文目的无关。(2)重复同类研究。1.3研究主题和文献选择计算机初检得到373篇文献,中文122篇,英文251篇。阅读标题和摘要进行初筛,排除因研究目的与此文无关的320篇,内容重复性的研究9篇,共保留44篇均为下肢运动障碍患者如何使用康复机器人进行康复的相关文献。2结果2.1康复机器人的技术要求参考文献简述康复机器人的发展历史,文献介绍康复机器人的技术要求,文献[5-16]简述康复机器人的技术概况,文献[17-44]叙述康复机器人国内外研究进展。2.2结果描述2.2.1功能电刺激spe-roosth小鼠康复机器人疗法早在20世纪60年代早期,临床医生就使用连续被动运动机器(continuouspassivemotion,CPM)辅助外科手术后的康复。康复机器人疗法最初集中在肌肉运动知觉反馈,后来扩展到以功能电刺激和虚拟现实VirtualReality为基础的治疗系统。功能电刺激使用电流刺激神经系统使患者恢复步行能力。功能电刺激广泛应用于改善肌力的足下垂刺激器footdropstimulator。第一台商业化的植入型足下垂刺激器由RanchoLosAmigos医疗中心和Medtronic公司开发。2.2.2肢体康复机器人以神经可塑性原理为基础而构建的“明确任务的治疗或训练”意味着神经系统疾病患者,可以通过连续不断的重复训练使日常活动能力得到训练和提高。成功的步态康复有赖于主动步行训练,然而,脑卒中偏瘫患者在康复治疗初期进行主动步行训练是非常困难的。下肢步态康复机器人系统,通过增强的反馈训练满足了这一需求,使渐进的功能性运动治疗成为可能。机器人在临床应用方面的设计要求低噪声、小巧轻便、外观友好、给人以安全感,让治疗师和患者都能接受等,Bien等认为以人为本的康复机器人在使用时不会给患者带来痛苦、不便或限制他们的活动。机器人应该能适应复杂的医疗工作环境,如设计时要考虑是否和患者轮椅、支具以及周围环境相容等。机器人的目标是发现患者的运动目的并服从他们,而不是强加给患者一个预先设定的运动轨迹。近年来,由德国弗朗霍费尔(FraunhoferIPK)自动化机器人研究中心和柏林慈善医科大学的Henning等共同开发出下肢康复机器人HapticWalker,可以带动患者的下肢进行平地行走及上下台阶等模拟训练,对康复较快的患者还能提供模拟自行车和滑雪的训练。2.2.3智能康复机器人系统的发展德国柏林自由大学很早就开展了康复训练机器人的研究工作,典型的作品之一是在2000年研制成功的机械式康复训练器。该康复训练器可以在水平方向和竖直方向上对受训者的重心加以控制,但是在此机构中并没有引进较为先进的伺服控制系统,只能完成按机械原理图所要求的轨迹与姿态,对较为复杂的姿态模拟无能为力。因此,该下肢康复器只是一种过渡性的下肢康复训练器材,难以满足临床康复对患者不同功能状态的训练要求。很快就被随之出现的更加智能的训练机器人所取代,出现了能够根据患者的训练状态来调整训练模式的康复机器人系统,被称为交互式系统,并根据自由度分为单自由度和多自由度交互式系统。单自由度交互式系统是通过力传感器、位置传感器、电子测角器、加速度器、角度控制器等来获取信息并反馈调控机器人训练状态。不过因为它们只能提供一个自由度的动作,大大限制在临床上的实际应用价值;多自由度交互式系统是通过更先进的传感器和显示器等反馈系统及虚拟现实和肌电分析等应用技术来实现人机的互动,大大提高机器人系统的人工智能化。机器人较早较深入的研发主要集中在欧美发达国家,近几年国内的一些大学也开始相关研发。东南大学研制成功了人体神经肌电信号智能检测仪和脑电信号检测仪。清华大学精密仪器系康复工程研究中心正在研究步行康复训练机器人(gaitrehabilitationtrainingsymem,GRTS)。具有结构简单紧凑.屈曲角度大等优点。但是髋、膝关节处驱动器的轴、径向尺寸较大。2004年中科院合肥智能机器研究研制的“可穿戴型助力机器人”采用了类人结构,通过各关节角度、速度值的改变来达到与人体的协调运动并提供助力,降低人在负荷或长时间行走的情况下的运动强度,与人体组成一个协调而且完美的整体。上海大学机电工程与自动化学院也开始研究了一套可穿戴式助力机械腿,单侧下肢有两个自由度,分别为髓关节和膝关节的屈/伸自由度,这两个自由度分别由电动缸驱动。2.2.4lokomat在典型康复治疗中的应用新型机器人2007年日本东京大学机械工程学院Hiroshi等研制出了一种动力型康复器械Hartwalker(HW),它由两个竖直的膝踝足矫形器(Knee-Ankle-FootOrthosis,KAFO)和一个四轮车组成,由于腰部是连接在康复器械的竖直杆上,减少了患者摔倒的风险,而且在保证正确姿态的同时患者的双手也是自由的,可以进行一些辅助操作。韩国西江大学的IntelligentWalkingAssistiveRobot,其设计是为了扩大体弱和行走不便老人的运动范围和活动能力。该外骨骼结构上的显著特点是整个装置由两个部分组成:外骨骼和手推车。所有的驱动元件,包括电池和马达,以及控制器等较重的周边设备都布置在手推车中,这样一方面可以减轻操作者的负担,另一方面亦可以保证老年人的行走平衡。在控制方面,他们采用类似于肌电信号(EMG)的肌纤维收缩信号,利用绑在大腿和小腿上的气囊内气体的压力变化来测得,而在人腿自由摆动,即肌纤维不收缩时,则利用关节处的电位计式角度传感器的信号来触发驱动器的动作。传感器信号的融合和处理是通过便携式计算机中的模糊控制来实现的。Lokomat步态康复训练机器人由瑞士HOCOMA医疗器械公司与瑞士苏黎士Balgrist医学院康复中心合作推出,主要由步态矫正器、体重支持系统和跑台组成。Lokomat的髋关节和膝关节受一个完整的外骨骼式结构驱动。患者的髋关节和膝关节都受Lokomat系统软件控制,确保以预设的生理步态曲线进行训练。利用机器人辅助的步态模式是根据患者制定的,适当的传入感觉输入可以使患者更具有积极性。患者和治疗师都可实时了解患者自身的肌肉活动性和外骨骼式结构的工作情况。未来的临床工作将集中在评价患者康复受益程度的临床研究;下肢康复应用Lokomat的疗效是否高于传统康复方法尚待论证。康复机器人与活动平板训练:重复性功能运动可以改善神经损伤患者的肌肉力量和运动协调性,人类步态就是一种典型的重复性功能运动。减重平板训练作为脊髓损伤患者或脑卒中患者的常规疗法已经十余年。研究表明,减重平板训练可以改善运动失调患者的步态和下肢运动功能。尤其对于轻偏瘫患者,减重平板训练可以改善患者的平衡能力、步行速度力它重要的步态特征,例如对称性、步长和双腿支撑站立时间进下肢运动恢复对其他病理改变的患者如多发性硬化,帕金森病和脑损伤有效[30,31,32,33,34,35,36,37]。Barbeau等在一项对严重脑卒中患者康复的研究显示,部分体重支持减重平板训练在步行和姿态方面优于完全体重支持活动减重平板训练。这个结果表明要得到最佳的治疗结果,步态康复训练的设计必需根据患者神经损伤程度进行调整。国内王彤等研究表明,脊髓损伤和脑损伤造成的下肢长期瘫痪的患者经过阶段性减重平板训练,功能性步行评定及站立平衡功能比传统康复治疗前后有十分明显的改善;其中7例患者由开始时步行速度0.27m/s到训练后的平均步速0.36m/s,表明减重平板训练对长期瘫痪患者改善步行能力也有帮助。杜巨豹等研究表明,脑卒中偏瘫患者早期在传统的康复治疗基础上应用减重步行训练,能更大程度提高下肢运动功能、步行能力及日常生活能力。但是传统减重活动平板训练有一定的局限性。第一,训练的劳动强度太大,需要多达3个治疗师协助治疗,训练持续的时间经常受人员短缺的限制。第二,训练时间少于取得最佳治疗效果所必需的时间,因为训练时治疗师需要采取人体工效学极不合理的坐姿,治疗师经常遭受背痛的困扰。第三,传统减重活动平板训练步态模式不可重复并且没有对患者的直接反馈。现在的自动步态训练机器人,例如Lokomat(Hocoma,AG,Volketswil,Switzerland)可以增加训练的可重复性;延长训练时间,减少人力成本,一个治疗师可以同时训练两个或多个患者;另外,可以帮助治疗师对康复效果进行观察、评价和识别异常为患者功能恢复提供适当的治疗。干预方式:一项对多发性硬化患者使用情况进行的研究表明Lokomat组与减重活动平板训练组的步态训练结果没有显著性差异。一项对脊髓减压病患者的研究表明经过3个月的lokomat步态康复训练后,患者的美国脊髓损伤协会评分由C级升到D级,脊髓独立测量和Berg平衡量表评分均有提高。Schwartz等对67例首次脑卒中后3个月内亚急性脑卒中患者的研究表明Lokomat组在独立步行能力方面优于普通理疗组。在一项对16名脑卒中后偏瘫患者的研究表明Lokomat组的自选步行速度和患侧步长比得到改善,而对照组只有平衡能力稍有改善。使用机器人可以加大训练时间和强度,但机器人训练的最佳强度和时间长度目前还尚无定论,不同研究者选取的训练强和时间