机器人技术在康复训练中的应用

机器人技术在康复训练中的应用

一、机器人技术的应用中国是风病高发区之一。在这种情况下，约70%和80%的患者仍然有不同程度的残疾。对于中风病人,对其偏瘫部位进行康复训练是十分重要和关键的医疗手段,及早进行康复训练可以大大减少残疾的可能性。传统的康复治疗中,治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练,这种方式的训练效率和训练强度难以保证,训练效果受到治疗师水平的影响,而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据,难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。为了减轻家庭和社会的经济负担,提高康复训练效率,研究者们将机器人技术应用于康复领域,既可提供有效的康复训练,又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健的成本。另外,机器人可以记录详实的治疗数据及图形,能提供客观、准确的治疗和评价参数,有助于机器人辅助治疗偏瘫研究的深入开展,具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。近年来,国外一些研究机构开展了上肢康复机器人的研究,已得到一些初步的结论。二、上肢康复机器人的研究上肢康复医疗训练机器人系统经过十几年的发展,从系统结构上分,主要包括三个阶段:1、肢体肢体康复机构1991年,MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS,该设备采用五连杆机构,末端阻抗较小,利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性,用于病人的肩、肘运动,如图1所示。MANUS具有辅助或阻碍手臂的平面运动功能,可以精确测量手臂的平面运动参数,并通过计算机界面为患者提供视觉反馈,在临床应用中取得了很好的效果。在此基础上,他们又研制了用于腕部康复的机械设备,可以提供三个旋转自由度,并进行了初步的临床实验。与一般工业机器人不同,MIT-MANUS在机械设计方面考虑到了安全性、稳定性以及与患者近距离物理接触的柔顺性。另一个典型的上肢康复训练机器人系统是MIME(mirror-imagemotionenabler),该设备包括左右两个可移动的手臂支撑,由工业机器人PUMA-560操纵患者手臂,为患肢提供驱动力,既可以提供平面运动训练,也可以带动肩和肘进行三维运动。但是PUMA-560本源上是工业机器人,因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及载荷、运动速度以及输出力控制等原因,该系统在医疗领域的应用也有其局限性。1999年,Reinkensmeyer等研制了辅助和测量向导ARM-Guide,用来测定患者上肢的活动空间。2000年他们对该装置进行改进,用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能。该设备有一个直线轨道,其俯仰角和水平面内的偏斜角可以调整。实验中患者手臂缚在夹板上,沿直线轨道运动,传感器可以记录患者前臂所产生的力。这种设备训练方式单一,无法进行更深入的研究。2005年,瑞士苏黎世大学的Nef等开发了一种新型的上肢康复机器人ARMin,它是一种6自由度半外骨架装置,安装有位置传感器及6维力/力矩传感器,能够进行肘部屈伸和肩膀的空间运动,用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的活动。此外关于上肢康复训练机器人的报道还有:REHAROB以及华盛顿大学设计的7DOF上肢外骨架装置等。但是,上述设备也有一些不足之处,机器人系统比较复杂,而且没有利用网络,因此患者不能在家根据治疗师的指导进行康复训练。2、计算机网络远程康复系统的应用中风和上肢损伤等需要进行康复医疗训练的患者逐渐增多,但由于受到各种因素的制约,他们不可能在医院长期接受康复治疗。因此,出院后在家庭或社区医疗中心进行康复锻炼是一种有效的好方法,计算机网络为远程康复训练提供了一个良好的平台。与传统的康复训练机器人系统相比,远程康复机器人系统无论对患者和治疗师都更为经济便利。2005年,斯坦福大学和芝加哥康复研究所联合研制了一种便携式家用远程康复系统,这是一种主从式的遥操作系统,由主手、从手以及各自的控制器组成,从手引导患者进行康复运动并检测和记录运动信息,主手作为医生提供控制和监控的交换设备,通过网络发送命令并接受从手的运动信息,实现了中风患者肘部的康复训练,该系统可以传输治疗师指令及相关信息,治疗师可以检测患者并监控训练过程,如图2所示。3、网络虚拟康复技术应用为了鼓励患者进行康复训练,提高康复训练的效果,在训练过程中吸引患者的兴趣是一个主要方面。虚拟环境技术的发展使这种思想得以实现,研究者们采用基于虚拟环境的用户界面,通过一些小游戏鼓励患者进行主动训练。基于虚拟环境的康复训练通常与网络相结合,因此,不仅具有远程康复机器人系统的优点,还提高了患者进行康复训练的能动性。Rutgers大学和Stanford医学院在基于虚拟环境的远程康复机器人系统方面做了大量的工作。2000年,Rutgers和Stanford医学院研制了一套家用康复医疗机器人系统,由一个带有图形加速器的PC机、一个追踪器和一个多功能触觉控制界面组成,利用WorldToolKit软件构建了虚拟环境并进行虚拟康复路径规划,远程计算机通过Internet连接,治疗师可以在门诊进行远程监控,主要用于患者手、肘、膝和踝关节的康复训练。2001年,DavidJack等设计实现了一套基于PC的虚拟现实增强系统,利用CyberGlove和RutgersMasterII-ND力反馈手套作为输入设备,实现用户和虚拟环境的交互,并设计了任务级别的操作,以增强患者进行康复训练的主动性,实现中风患者手部功能恢复的康复训练。J.Tang等利用ToolCommandLanguage/Toolkit构建了三维图形界面,将视觉反馈与触觉反馈相结合,通过网络实现了带有力反馈的协作任务。患者通过InMotion2对虚拟物体施加一定大小的力,虚拟物体因此产生交互作用力,并通过触觉设备作用于患肢。Wisconsin医学院和Marquette大学研制了康复训练机器人系统TheraDrive,主要由3个商用的力反馈操纵轮和驱动软件SmartDriver构成,创建上肢康复治疗虚拟环境界面,通过计算机游戏激发患者进行训练。虚拟环境对患者进行功能恢复训练是一种很好的康复环境,目前基于虚拟环境的康复运动主要用于手部功能恢复的康复训练。其它利用虚拟环境实现康复训练的系统还有:Driver’sSEAT、FRIEND和FRIEND-II等。国内用于康复医疗训练的机器人系统比较少,但也正在开展相关研究[胡宇川,季林红,从医学角度探讨偏瘫上肢康复训练机器人的设计,中国临床康复,2004,34:9-14.],[吕广明,孙立宁,彭龙刚,康复机器人技术发展现状及关键技术分析,哈尔滨工业大学学报,2004,9:1224-1228.]。台湾国立成功大学研制了一种类似人手臂的康复训练装置,采用力-位置混杂模糊控制器提供恒定的力,使肘和肩按照设定轨迹运动;清华大学在国家“863”计划支持下,从2000年起即开展了机器人辅助神经康复的研究,研制了一种上肢康复设备UECM,可以在平面内进行两个自由度的运行训练。三、远程康复治疗目前的远程康复医疗机器人系统大多都没有力反馈,或采用主从式结构,只能进行一对一的康复训练。东南大学宋爱国等将力反馈遥操作机器人技术应用于康复医疗,设计了基于互联网的、一对多的力觉辅助远程康复医疗机器人系统,如图3所示。该系统的主要特色在于:1)该康复医疗训练机器人系统是一对多的:医生可以同时对多个病人进行监控和指导,并根据不同患者的治疗情况及时地远程调整康复医疗的训练方案,合理地利用资源;2)机械臂是远程控制的:既可以用于住院治疗,也可以用于远程康复训练,患者计算机和医生计算机采用客户机/服务器的方式,通过Internet连接,医生可以远程设置训练参数,控制机械臂的运动模式,训练过程中的力和位置信息以及视频信息通过Internet网发送给医生,使医生可以监控到患者的训练情况,并及时地修改康复训练方案,有效地实现医患互动,提高诊疗效率;3)实现了力觉辅助:采用基于力反馈-位置型的传感和反馈结构,实现了合理的外力引导上肢受伤和中风病人进行训练;4)可以实现主动模式、被动模式、助力模式和阻抗模式4种训练模式,不同的训练模式中电机的输出力控制不同,以适应不同的康复阶段的病人。远程力觉辅助康复医疗机器人系统的实现不仅可以大大地提高康复医生的工作效率,而且极大地方便了广大伤残病人和中风病人,满足伤残病人和中风病人康复训练和医疗的需要,对提高中风病人的生活水平和减轻家庭及社会经济负担具有重要意义。四、机器人辅助治疗有效性验证目前的康复机器人都能够在一定程度上向患者提供简单的训练方案,研究结果表明机器人辅助治疗确有一定疗效。从现有文献及临床需要来看,今后上肢康复机器人系统的研究可能集中在以下几个方面:1.维地震训练机械设计是康复训练机器人系统的基础,应尽量简洁轻巧,具有一定的灵活性,提高训练动作的种类,增大动作幅度,在三维空间内对患肢各个关节进行训练;同时发展“多路复用”的网络康复医疗机器人系统,提高资源利用率。2.动态动态补偿试验由于患者的病情千差万别,因此,机器人要感知患肢状态(力量和位置)并采取相应的训练模式和控制策略,在控制系统适应性和稳定性、传感器技术应用、系统辨识和控制算法设计等方面需要作更深入的研究。3.适当降低患者的作用力机器人应该能够实时检测患者与机器人之间的相互作用力,在患者主动能力不足时提供更大的辅助,而在患者有能力完成动作时,适当减小辅助甚至施加阻力,以便充分发挥患者残存的功能。4.康复机器人系统的安全性保障安全问题是康复机器人设计过程中的一个重要方面,康复训练机器人必须根据临床康复训练的基本动作和安全性的要求,在设计中除了考虑机器人的功能实现外,还要防止患肢二次损伤,必须从机构设计(硬件)和控制系统(软件)两个方面保证康复机器人系统的安全性。5.培养训练效果应关注之间的关系与肌电信号检测相结合,探索训练参数与康复效果之间的关系,提高训练效果。大量实验的基础上,探索临床康复的初步规律,并建立新的康复评估方法,从而对运动功能的康复机制重新评估和理解。五、康复医疗机器人的研究和使用意义机器人具备许多人类所无法比拟的优点,例如:长期、稳定地重复训练,精确、客观地测定训练与运动参数,提供实时反馈、远程训练等。但是,目前康复训练机器人的研究仍然处于起步阶段。从近年的发展看,美国的著名大学如MIT,Stanford,Northwestern等对这一领域的研究都十分重视,处于世界领先。国内的研究基础和对这一领域的了解和把握与上述领先单位的差距并不很大,但在经费投入方面严重不足。由于我国的康