國內下肢康復機器人訓練與評估系統的應用

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前言

當前，神經系統疾病導致肢體功能障礙的康復治療主要依賴於治療師的一對一訓練，難以實現高強度、有針對性和重複性的訓練要求，而且治療師的勞動強度大，難以保證訓練的持續性和穩定性，治療效果還受到治療師水平的影響。最近幾年神經康復領域已採用康復機器人設備對各種神經功能障礙的病人進行步態康復訓練。康復機器人（rehabilitation robots）作為一種新型機器人，是醫療機器人的一個重要分支，是工業機器人和醫用機器人的結合。它貫穿了康復醫學、生物力學、機械學、電子學、材料學、計算機科學等眾多領域，是一種自動化的康復治療設備，可以幫助患者進行科學而又有效的康復訓練，使患者的運動功能得到更好的恢復。A3下肢康復機器人訓練和評估系統是目前國內應用最廣泛的一種，也是國人自主研發的高端步行康復機器人訓練與評估系統，它可以幫助患者模擬正常人的步行規律，並且可以承擔一部分人體的重量，對下肢有運動障礙的患者進行有效的康復訓練。

1.系統結構

A3下肢康復機器人訓練與評估系統由廣州一康醫療設備實業有限公司自主研發推出，這個全自動下肢康復機器人（如圖1所示）主要由固定髖部和雙下肢的外骨骼式矯正器、減重系統和醫用跑台組成。

整個外骨骼式矯正器被連接到一個彈簧支撐的平行四邊形結構上，彈簧用來支撐整個矯正器的重量，並具有調節平衡的功能。在康復訓練過程中，減重系統通過懸吊病人胸腰部繃帶來支撐病人的部分體重，病人的雙下肢由三個可以調節的固定帶固定到外骨骼式的矯正器上，足部可以佩帶一個足部升降帶固定病人的雙側踝關節於中立位，當病人在邁步時可被動地引起足背屈。如果病人有足夠的踝足部肌力和控制能力，可以不佩帶足部升降帶或降低升降帶的張力，這樣減少了病人的踝足部限制，有利於其發揮自主踝足部肌力。A3的髖關節和膝關節活動範圍、步態偏離量、雙下肢的引導力、減重量和運動速度等參數通過計算機實時控制。此外，外骨骼式矯正器的髖膝關節裝有位置和力量感受器，治療師可以隨時通過計算機屏幕觀察病人的運動表現。

2.臨床應用

目前，A3下肢康復機器人應用於病人的康復治療，主要包括以下幾個方面：

2.1 治療特點：

康復治療的過程中，改善患者的行走能力，提高其日常生活自理能力，是促進患其回歸社會的重要方面，因此下肢步行的康復十分重要。傳統的步行治療主要依賴於治療師的一對一訓練，其治療對康復治療師體力消耗太大、訓練的持續時間短、強度不夠、針對性和重複性較差，治療效果還受到治療師水平的影響，下肢康復機器人主要是根據現代康復醫學理論和人機合作機器人原理，通過計算機控制下的外骨骼式矯正器帶動患者雙下肢在醫用跑台上進行運動，使大幅度的步態訓練成為可能，並大大減輕了治療師的體力勞動強度，不僅可為患者提供早期康復步行訓練，有利於大腦神經功能重組，而且可為患者提供多種訓練模式和訓練場景，滿足康復訓練的需要，同時可以幫助治療師對康復效果進行觀察、評價和識別異常為患者功能恢復提供適當的治療，提高康復治療效果。研究[4]表明，定時、定量的康復訓練有利於患者中樞神經系統功能重塑，促進其恢復肢體運動功能。

2.2 適應症：

主要包括顱腦外傷、腦卒中、脊髓損傷、內用假體（如全髖關節置換術後）、下肢退行性關節疾病（如膝關節退行性骨關節炎）、腦癱、帕金森氏症、脊髓性肌萎縮症、多發性硬化症等

2.3 禁忌症：

主要包括不適用於下肢外骨骼式矯正器、體重超過135公斤、下肢關節嚴重的攣縮、骨不穩（如非穩定性骨折，嚴重的骨質疏鬆症，脊柱不穩）、下肢和軀幹部位的外在皮膚損傷、嚴重的心臟疾病（如心衰、不穩定性心絞痛）、不合作或有攻擊行為（如短暫的精神病綜合症）、嚴重認知障礙、嚴重的下肢血管疾病、需要長期輸液或醫生要求卧床休息的患者、下肢髖關節、膝關節和踝關節固定的患者等

2.4 治療參數的調整：

在應用下肢康復機器人步行訓練之前，康復治療師要對病人的運動能力和心肺功能進行全面的評估，以作為治療參數調整的參考；另一方面，步行能力障礙的病人可能由於長期卧床或使用助行器幫助步行，已經不習慣正常的步行模式，因此，病人開始訓練階段，大部分患者不能順應其所引導的正常步行模式，而且下肢肌肉收縮時的運動協調性差，這需要給患者一定的學習和適應時間，其長短要根據患者的病情和認知功能而不同。所以一般情況下，我們會建議開始幾次的治療參數設置難度要低於患者的整體運動能力，並根據病人的適應情況再逐漸增加治療難度。治療參數的設置主要包括病人係數、髖膝關節活動範圍、步態偏移量、雙下肢引導力、減重量和運動速度。病人開始使用A3訓練時，速度不要調整太快，一般設置在0.8-1km/h，引導力100%，先使其對A3的步行模式有一個適應過程，然後根據病人的運動能力逐漸加速。引導力的大小要根據病人下肢的肌力設置，如果設置太高，不利於病人的主動參與及下肢肌力訓練；如果設置太低，病人感覺下肢沉重，步行困難，導致步行過程不協調而自動停止。因此，為了達到最佳的效果，要根據病人的下肢運動能力選擇不同的引導力，通常是一次降低10%的引導力，直到比較適合病人進行步行訓練為準。此外，病人係數代表的是機械腿與醫用跑台的同步性，在訓練過程中，病人係數的波動會受其他訓練參數的影響，如果其偏離最佳位置，會觀察到病人步行的模式不協調，需要對相應參數及時進行調整。這時既可以通過增大或減髖膝關節活動範圍來調整，也可以通過計算機屏幕上的病人係數上調或下調來直接調整。減重量的調整通常是以病人在步行過程中雙下肢在支撐相不出現膝關節彎曲，並不感覺下肢沉重及擺動相不出現足趾拖曳為標準。研究顯示，減重30%所產生的步態參數最接近完全負重下的步態參數，減重大於30%，患者就失去足夠的地面反作用力來推進他們的步行[5]。因此，通常我們預設30%的減重量，不過有時病人在每次訓練開始時減重量調整合適，但訓練後期由於疲勞而出現支撐相膝關節彎曲及機器擺動聲，這時就需要適當增加減重量。

2.5 虛擬現實互動訓練的應用：

下肢康復機器人通過計算機屏幕為病人提供虛擬的互動場景，積分遊戲的形式等增加患者步行訓練的趣味性。由於大部分病人很難集中注意力到全部下肢的運動，尤其對於由於神經損傷存在認知障礙的病人，通過這種虛擬現實互動訓練，可以讓患者在整個步行訓練過程中提高主動性和注意力，也是提高神經可塑性，最大限度恢復病人步行功能的主要因素。虛擬現實互動訓練有笑臉、鄉間步行、步行積金幣三種，治療師可以根據不同病人的喜好和認知能力選擇。

3.總結和展望

總之，治療師只有全面了解A3下肢康復機器人訓練與評估系統，並根據病人的運動功能情況不斷地調整訓練參數，才能使病人在精確控制的條件下最大限度地發揮自主運動能力，並獲得最佳的康復治療效果。

康復機器人技術的產生和發展有賴於現代康復治療理論的發展，而康復機器人的臨床實踐又檢驗了現代康復治療理論的正確性並推動著康復治療理論的發展。基於運動學習理論的發展起來的下肢康復機器人，對於神經科和骨科等多種疾病導致的功能障礙，具有很好的治療效果。康復機器人訓練系統具有許多人工所無法比擬的優點，例如長期、穩定地重複訓練，精確、客觀地測定訓練與運動參數，提供實時反饋信息等[6]。隨著康復醫學的發展和相關技術的進步，康復機器人技術將深入到康復醫學的更多領域，包括在人體的四肢和功能上的重建、職業技能培訓和康復治療等很多層面。相信康復訓練機器人廣闊的市場前景必將推動這一新興的技術得到更多重視與推廣。

[參考文獻]

[1]Joseph Hidler, Wessel Wisman, Nathan Neckel.Kinematic trajectories while walking within the Lokomat robotic gait-orthosis[J].Clinical Biomechanics,2008,(23):1251-1259.

[2]倪俊瑜.下肢康復訓練機器人[J]. 中國傷殘醫學, 2010, 19(1):127-128.

[3]劉劍偉.步態訓練與評估系統A3成功問世[J].世界康復工程與器械，2013,3（2）:86-87.

[4]Fasoli SE, Krebs HI, Stein J, et al. Effects of robotic therapy on motor impairment and recovery in chronic stroke. Arch Phys Med Rehabil, 2003, 84:477-482.

[5]黃利榮,何璐,等.不完全脊髓損傷患者的減重助步訓練[J].國外醫學.物理醫學與康復分冊,2002,22(1):19-20.

[6]Krebs HI, Hogan N, Aisen ML, et al. Robot-aided neuro-rehabilitation [J]. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 1998, 6(1): 75-87.

作者：楊振輝王俊劉四文唐丹