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1、下肢外骨骼机器人辅助步行训练在康复医学中的应用下肢外骨骼机器人辅助步行训练在康复医学中的应用 吴涛 顾捷 李建华 邹政华 作者单位 浙江大学医学院附属邵逸夫医院康复医学科 通信作者 李建华 Email wutao1880 摘 要 康复机器人由康复医学和机器人技术结合发展而来 结合机械 传感器 精密控 制等多个尖端技术 本文以国产 Flexbot 多体位智能下肢康复机器人的 5 年开发 过程为例 阐述步行机器人与康复医学逐步结合的研发演化历程 体现 医产学 研用 的理念 并对机器人的现存问题进行总结并做展望 关键词 康复机器人 机器人疗法 一 概述概述 在最近的二十年中 康复机器人的研发和应用取
2、得了突飞猛进的成就 机器 人辅助技术作为医疗机器人的重要分支 已经成为了国际机器人领域的一个研究 热点 把先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人 体现了康复医学和 机器人技术的完美结合 1 应用于步行功能训练的下肢外骨骼机器人可分为两类 一类主要是用于提高下肢关键肌肌力和关节活动度等基础训练 如髋 膝 踝局 部屈伸等力量的训练 另一类主要用于患者行走整体训练 以提高步行时身体的 稳定性和协调性 2 下肢外骨骼机器人越来越多地应用于辅助步行功能训练 患 者通过穿戴下肢外骨骼康复机器人 可以进行有效的步态训练 达到促进神经系 统功能恢复 提高步行和日常生活活动能力的目的 减重下辅助步行训练可
3、以改 善患者步态基于以下理论 中枢模式发生器 central pattern generator CPG 学说 CPG是由脊髓中一群神经元相互联结组成的网络 能发放出节律性冲动 包括节 律性肌肉运动 神经系统可塑性与功能重组理论 中枢神经损伤后的结构或功 能重组过程必须通过定向诱导 步行训练是一种有效的定向诱导方式 动力 系统 学说 减重步态训练使足底和髋关节传入的感觉在脊髓运动区得到加强 在小脑和高级运动中枢下传复制系统被放大 使运动中枢对运动的控制能力加强 强制性主动使用理论 强迫性主动运动可激活运动皮质和脊髓节律性运动中枢 3 目前国内外市场上已有很多类型外骨骼驱动的下肢康复机器人广泛用
4、于脑卒 中 脊髓损伤等中枢神经系统损害的患者 二 下肢外骨骼机器人研发下肢外骨骼机器人研发 自上世纪 90 年代初以来 国内外许多机构相继利用机器人辅助技术对中枢 神经损害患者进行减重步行训练 减重步行辅助康复训练机器人一般利用仿生外 骨骼机械腿 带动患者下肢进行运动训练 瑞士 HOCOMA 医疗器械公司最先推 出此类产品 如 LOKOMAT 下肢康复机器人 4 该产品能够辅助下肢运动障碍 患者在活动平板上进行步行训练 国际上类似的产品还有 ALTACRO Reo Lokohelp 等下肢康复机器人 5 6 7 该类设备通过机械手方式 或者外骨骼方式 或者椭圆机结构踏板方式与患者大腿 小腿相连
5、 使之协调摆动从而完成整个或 部分的步态轨迹训练 8 MIT 的 Hogen 教授 2012 年提出机器人疗法 RT Robotic Therapy 的概念 14 康复机器人能够进行高强度重复性训练 提供反馈互动的虚拟治疗 引导患者完 成特定的任务 机器人疗法在国内外也引起了广泛关注 机器人疗法能够代替或 辅助治疗师完成大量的功能性动作的训练 是康复设备发展的一个主要方向 上海璟和技创在 2008 年开始研发下肢机器人 进行了一年的临床和技术调 研 总结了当时机器人的临床需求和现状 总结了机器人难以普及的核心问题 1 价格昂贵 进口的机器人价格高配在 400 万左右 普通医院难以承受 2 转移
6、病人困难 需要数十分钟的转移时间 大大影响了治疗师的积极性 3 软件全英文 维护成本过高 不能够进行急性期的步行训练等问题 4 人机交互性不够 病人的反馈少 虚拟现实画面粗糙甚至没有 同时在研发产品前 总结出下肢康复机器人需要包括的必要元素 1 机器人可以辅助病人模拟正常人步行时的步态 对于患者步行训练来说 尽 量接近正常步行轨迹和本体感觉 需要至少髋膝踝关节的独立控制而不是简 单的单关节被动运动 2 智能的反馈和友好的界面 机器人不是枯燥的被动训练 而是要通过虚拟现 实技术 能够通过人机交互界面 和患者不断沟通 实时显示患者的所有步 态参数和电生理参数 也能通过虚拟的环境 让患者身临其境 对
7、认知训练 本体感觉都能产生正向的激励 3 安全性 国家药监局已经明文规定机器人纳入二类医疗器械管理 在系 统的设计上应更加人性化 包括必要的软件限位 电气限位 机械限位 装置 报警设备 安全开关 紧停开关等 4 可靠性 用下肢康复训练外骨骼取代人工进行下肢康复训练的原由之一 就是人工很难长时间保证训练的质量和强度 因此 确保下肢康复训练 外骨骼长时间可靠稳定运行是其控制系统设计的基本原则之一 这在系 统驱动器 控制器的选择以及人机之间信息交互网络构建 控制软件的 结构体系等方面必须加以考虑 国产的产品研发 更应该采用国际化的 高可靠性的工艺流程和材料 5 可扩展性 可升级性 随着医疗检测设备的
8、不断发展 对于卒中和偏瘫 病人康复训练的监护手段也将越来越丰富 因此 无论在硬件平台的搭 建还是软件构架的设计上都必须要充分考虑控制系统将来的可扩展性 6 需要研发创新和没有专利风险的产品 国内研发的机器人 应该从技术上不 能和国外产品有专利侵权 国内机器人技术发展很快 康复更是新兴的领域 不必完全抄袭国外的机器人 一味的相互抄袭也会损害康复器械的发展 通过两年的研发 2010 年 上海璟和完成了第一代机器人的建模和原型机设计 见图 1 图 1 结构设计上 这款原型机机器人利用外骨骼驱动模拟步行训练 采用康复机 器人姿态自适应调节技术 创新性的提出了急性期进行卧位标准的步态轨迹训练 方式 中后
9、期通过倾斜位 站立位进行循序渐进的步态固化训练 实现不同时期 尤其是急性期康复患者的步行训练 缺点是还没有外壳 没有商业化进行量产改 造 没有进行大量的用户体验和细节设计 上海璟和在我院以及其它医院进行不断的临床改进 2013 年上海璟和推出 中国第一款成熟和批量化生产的下肢步态训练机器人产品 见图 2 图 2 目前机器人的外观工艺进行了大幅度的改进 零件进行了标准化批量化生产 软件上提供多种康复训练的处方 重新设计了患者转移的方式 增加了虚拟现实 软件的沉浸性和交互性 利用传感器技术提供了患者各种有效的康复评价手段 其中包括患者的运动角度 步幅 步频 主动参与程度等 该设备亦可提供痉挛 灵敏
10、度检测和患者主动用力的力矩检测 在患者发生痉挛能够停止运动 在患者 主动用力的时候能够改变步长步幅等步态参数 这些都是目前同类产品不具备的 技术优势 另外对于急性期能够进行卧床步行固化训练 在世界也是独一无二的 国内已有学者对该设备的的使用积累了不少临床经验 9 10 11 12 13 三 临床康复应用临床康复应用 目前国际上应用最广泛的下肢康复机器人是Lokomat Hocoma Zurich Switzerland 和Autoambulator Healthsouth Motorika Israel 14 对于下肢 机器人在脑卒中患者中的康复疗效存在争议 Husemann 15 等研究发现
11、下肢康复 机器人可以改善患者步态及体质 Westlake等 16 研究亦提示脑卒中患者经过机器 人辅助步行训练可以显著提高患者步速及患侧下肢支撑能力 这两个研究均是采 用了4周的训练时间 前者纳入了30例患者 而后者只包含了16例患者 但是有 意思的是 目前纳入患者最多的两项有关Lokomat应用研究中 却发现传统的多 样化的步行训练疗效优于下肢机器人辅助步行训练的效果 Hidler等 17 在该研究 中纳入了63例发病6个月以内的卒中患者 两组患者随机分成传统治疗和 Lokomat辅助训练组 在分别训练12次 24次以及训练结束后3个月进行随访发 现 传统治疗组患者的步速及步行距离均优于Lo
12、komat辅助训练组 类似的报道 也见于Hornby等 18 的研究 之所以产生迥异的结论是由于采取了不同的训练方 案及干预时间 Hornby等的研究选取病程 6个月且步行能力受损相对较轻 能 以较慢的速度且无他人辅助下独自步行10 m 的脑卒中患者 因此类患者肢体功 能尚可且发病时间较长 故此类患者通过机器人辅助步行训练获益就不如早期肢 体功能较差的患者 目前国内有关下肢机器人在脑卒中患者的康复训练效果的报道比较一致 张熙 斌等 错误错误 未定义书签 未定义书签 采用下肢康复机器人 德国Lokohelp系统 结合运动疗法 对脑卒中患者下肢痉挛进行治疗 训练时间为30min 次 每日1 次 治
13、疗前及治 疗4 周后分别进行评定一次 研究结果提示下肢康复机器人结合运动疗法对脑卒 中患者下肢肌痉挛有显著的改善作用 可提高患者下肢运动功能及生活自理能力 顾旭东等在卒中患者中应用Flexbot 2013 上海璟和技创 下肢机器人辅助步行 训练的系列研究中也发现 机器人辅助步行训练可以显著改善患者的步速 步长 及患侧肢体支撑能力 错误错误 未定义书签 未定义书签 错误错误 未定义书签 未定义书签 错误错误 未定义书签 未定义书签 错误错误 未未 定义书签 定义书签 其效果优于常规的减重步态训练 无论是脑卒中还是脊髓损伤患者 应用外骨骼助行腿进行步行训练的最重要的 目的是让患者以正常的步态进行训
14、练 因此如何规划合理的步态训练就显得尤为 重要 由于脑卒中和不完全性脊髓损伤患者下肢功能恢复的特殊性 一般需要两 套步态训练方案 即早期的被动步态训练方案和恢复期的协同控制步态训练方案 对于病程早期的患者 由于肢体功能较差 需要进行被动的 预定的轨迹步行 适合采用位置控制方法 19 随着下肢功能的恢复 会出现人机抵抗的不协调 这时就需要通过反馈模式实时调整驱动力量 协同控制步态 20 步行训练中的 主动性和互动性对于神经可塑性和运动控制非常重要 固定的被动步行模式不仅 会使患者形成依赖 减少肌肉的活动性和新陈代谢 而且会限制下肢运动功能的 进一步恢复 当患者能够更自由驱动下肢时 需要在步行中实
15、时捕捉反肌肉活性 的变化 产生持续传入反馈进而调整输出 实现按需辅助 这对重建大脑和脊髓 的神经网络 最终对患者产生最理想的治疗效果具有积极的意义 目前已有一定数量的国产的Flexbot 2013 上海璟和技创 投入临床应用 技术 也在不断的发展 后期主要的应用和研发方向包括 1 对于急性期卧床患者 方便迅速的转移仍然是一个长期需要研发 的内容 节省治疗师的操作时间 目前机器人的操作转移大约为10分钟 后续目标希望能控制在3分钟以内 2 更多主动反馈控制和更多的评估数据 比如髋关节的外展内收 踝关节 的更多自由度控制 各种表面肌电 皮温血氧信号的集成等 3 更大程度调动患者的参与性 更多的虚拟
16、现实场景 提高了患者 对于训练的兴趣和粘性 四 结语四 结语 下肢康复机器人的出现是近二十年来康复治疗技术和机器人技术的完美结合 下肢机器人辅助步行训练通过不断反复 循环模拟正常的步行生理周期 强化外 周深浅感觉刺激输入 从而促进上运动神经元损害患者步行功能恢复 目前用于 步行功能训练的下肢外骨骼机器人在恢复下肢步行功能方面已显示出极大潜力 但依然存在一定缺陷和不足 譬如设备造价昂贵 训练中如何实现人机交互 实 时反馈下进行步态康复训练等 下肢康复机器人技术这一21世纪重要的创新领域 今后必然成为国内外竞争的焦点 因此大力推动这一技术的国产化已成必然趋势 参考文献 参考文献 1 RobinsonCJ Purucker MC Faulkner LW et al IEEE transactions on Rehabilitation Engineering Special Issue on Rehabilitation Robotics J Rehabilitation Engineering 1995 3 1 73 83 2 王一吉 李建军 下肢外骨骼机器人在重建不完全性脊髓损伤患者步行
