下肢康复训练机器人的研究现状与趋势

谢欲晓 白伟 张羽 卫生部中日友好医院物理康复科 (北京 100029 )

下肢康复训练机器人的研究现状与趋势

谢欲晓 白伟 张羽 卫生部中日友好医院物理康复科 (北京 100029 )

康复机器人(rehabilitation robots)是近年出现的一种新型机器人，它属于医疗机器人范畴。它分为康复训练机器人和辅助型康复机器人，康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，如行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练、颈部运动训练等；辅助型康复机器人主要用来帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，如机器人轮椅、导盲手杖、机器人假肢、机器人护士等[1]。

传统的康复程序依赖于治疗师的经验与徒手操作技术。随着病人数目迅速增大，节省治疗时间越来越成为关注的问题。如果机器人可以协助执行康复评估与治疗程序，应该是一个很大的进步。近年来，已经有很多研究涉及机器人在协助残疾者康复训练的作用[2,3]。康复机器人能通过机器带动肢体做成千上万的重复性的运动, 对控制肢体运动的神经系统刺激并重建, 从而恢复肢体功能运动的一种新的临床干预手段。

1 康复训练机器人的研发沿革

康复机器人技术是国际前沿技术，它的历史虽然很短，但发展的速度却很快，近一两年来不断有新的研究成果出现。从第一台在商业上获得巨大成功的康复机器人一Handy[4]至今，康复机器人的研究获得了巨大的发展。为了更好地促进运动康复和实现运动控制，自动化和机器人辅助的运动康复从上世纪90年代开始出现[5]。

1993年，Lum等就研制了一种称作“手——物体——手”的系统(hand—object—hand system)，尝试对一只手功能受损的患者进行康复训练。1995年，Lum等又研制了一种双手上举的康复器(bimanual lifting rehabilitation)，用来训练患者用双手将物体上举这一动作[6]。Hogan与Krebs等于研制出一种称作MIT-MANUS的脑神经辅助康复机器人。MANUS提供平面运动和手部三维运动两个训练模块，具有反向可驱动性并可以通过阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性。MANUS具有辅助或阻碍手臂的平面运动功能，也可以精确测量手的平面运动参数，并为患者提供视觉反馈。MANUS的不足在于，它实现的动作基本上是平面的，这就限制了训练方案的改进；而且它向患者提供的训练动作不是从患者本身的需要出发，因而不能达到最佳的训练效果。

2000年，美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室和加州大学洛杉矶分校(UCLA)研制了一种用于脊椎神经受损病患者下肢康复的机器人设备，它运用一对机械臂引导下肢在脚踏车上运动，并且通过几个传感器来测量病人的力、速度、加速度以及运动阻力。在国内，哈尔滨工业大学研制了一种下肢康复训练机器人，对下肢运动障碍者在机器人辅助运动过程中的重心控制进行了研究[7]

总结康复机器人的研发现状，下肢康复机器人以被动运动模式为主，但现有运动模式单一，缺乏目标导向训练设计；上肢康复机器人已实现主动、被动、助动三种模式相结合的运动，并实现神经控制参与的目标导向运动将对临床治疗有突破性的贡献，应大力推广；而手部康复机器人是目前国际研究的难点，暂无突破性的产品。

2 下肢康复训练机器人的研发现状

下肢康复训练机器人是康复训练机器人中的一种，它可以模拟正常人的行走姿态，并且可以承担一部分人体的重量，对下肢有运动障碍的病人进行有效的下肢康复训练[8]。尽管目前国际上康复机器人研发覆盖的领域包括了手部康复机器人、上肢康复机器人、踝部康复机器人及下肢康复机器人，但恢复行走能力，是脑损伤患者和脊髓损伤后康复的主要目标。因此，恢复独立行走能力是康复治疗努力的首要目标。

由于脑的可塑性，医学上通常是通过进行重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动[9]。从而使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式[10]。基于这种方法已取得良好的临床效果，在过去20年里，减重活动平板步行训练的治疗方法已被引入成为神经康复方法。平板步行训练使复杂的步态周期得以重复[11]。然而，不利问题是所需要很多的物理治疗师来辅助病人患侧和重心转移。此外，治疗师必须花费很多的体力从而经常抱怨疲劳或过重身体压力。因此治疗的次数以及患者重复的次数将会有限。对患者的重心的变化和步幅系统校正往往变得不可能。因此，正如Kosak 和 Reding指出[12]，治疗师更喜欢患者使用任务导向的方法让患者在地板上练习而不是在平板步行训练器上走路。为了克服这些缺点，机电协助的机器人，如步态训练(GT1)或Lokomat步态训练器被最近研制并在神经康复使用。

图1 LokoHelp(LokoHelp集团，德国)是最新研制用于训练和改善脑损伤后机电机器人设备步态

LokoHelp(LokoHelp集团，德国)是最新研制用于训练和改善脑损伤后步态机电设备(图1)。这个装置是放置在跑步机上并且可以轻松地安装和拆除的。虽然这一新的步态训练器的应用前景已被证明是可行的，但其疗效尚未评估[13]。

根据康复医学理论和人机合作机器人原理。在一套由计算机控制的步态模拟控制系统的控制下，帮助患者模拟正常人的步行规律进行康复训练，锻炼下肢肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复下肢运动功能的目的[14]。一种被称为LOKOMAT的康复机器人能对脊髓损伤患者的踏车训练进行自动控制；最近又增加了视觉、触觉和听觉反馈模式来进行跨越障碍物训练，满意度达80%[15]。

3 下肢康复训练机器人的研发的限制性与发展趋势

机器人辅助康复训练方面已经建立了小规模应用。今后研发的步态机器人应能将干扰感觉信息输入最小化，易化正确的感觉信息输人和步态力学，并智能化地根据外界变化同步作出辅助量大小调整[16-17]，还可为机器人配以合适的生物信息检测系统，实现生物反馈控制，以提高康复效果。肌电生物反馈(EMGBF)在康复机器人控制系统中的应用比较广泛。但Galvez等研究表明，使用机器人步态训练设备进行辅助步态训练时，仍需要治疗师适当的辅助训练指导，尤其是矫正下肢的关节力线、力矩，使其与正常步行周期接近，以达到最优化效果[13]。我国哈尔滨工业大学研究的采用AVR单片机的机器人控制系统，成本低，易于产品化。但也存在重力平衡、机器人与患者肢体的干涉等问题[17]。有研究表明．在机器人辅助下，患者行走中骨盆和下肢的活动自由度受到限制．这使得肌肉的运动发动模式与正常人不一样，且缺乏适应外界环境变化的反馈控制策略[18]，为以后这类助行器的商品化研究指明方向。

3.1 应将评测和训练相结合

康复机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，可以自动评价康复训练效果，根据病人的实际情况自动调节运动参数，实现最佳训练。康复机器人运动状态测量系统可以实现运动状态的在线测量，为康复机器人的运动学控制提供必要的参数，同时，为医务工作者治疗肢体运动障碍患者提供准确的信息。也可以作为患者自己观察运动状态的工具。 该测量系统主要提供如下参数：(1)步态及运动分析，标准步态在专业化名词中称为stance, heel-off, swing, heel-stike,即站立，后跟抬起，摆动和后跟落下。如果出现病态步态，如前倾，后倾，左倾，右倾及不合理的步态相位分布都会影响人走路姿态。对于病人而言，分析和矫正病态步态是非常重要的。 (2)运动重心实时跟踪，影响人走路的姿态除了步态之外还有重心分布，这一信息可用于病人自我矫正，借助于康复机器人，通过逐渐矫正到达健康恢复的目的。

3.2 应有神经控制的参与及被动、主动、助动三种运动模式

康复机器人是直接对患者肢体进行操纵[6]， 因此机器的设计必须从患者的需要出发， 同时符合临床康复训练的规律。尽管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，但是迄今为止，所有研究结果除了能够证实机器人辅助治疗确有一定疗效外, 并不能提供更多的有价值的结论。其根源在于，现有机器人所能提供的训练动作只是简单的曲线或者直线轨迹，首先它与临床训练的要求不符, 不能在康复早期给患者以更多的正确运动感觉的刺激；其次这些动作与日常功能性动作相差甚远，对于患者恢复日常生活能力帮助不大。不仅如此，由于机器人不能根据患者的康复情况做出实时的调整(辅助或阻尼支撑或不支撑), 容易让患者完全依赖于机器人完成动作,从而有可能导致瘫肢产生异常运动模式. 此外,相同的训练内容用于所有患者,缺乏针对性的治疗方案,因而很难获得不同于治疗师辅助治疗的康复效果。通过虚拟现实’脑电’肌电技术与机器人技术的集成，有望向患者提供全方位的刺激，全面促进中枢神经的重组和代偿。这些结果将不仅对临床研究神经康复有巨大的指导意义， 而且为研究正常人的神经控制与运动机理提供了一个契机。

3.3 应有被动、主动、助动三种运动模式

患者的病情千差万别，在不同的康复分期还具有不同的运动模式，因此，机器人提供的训练动作应能满足具体患者的特殊训练需要，即尽可能完成多种动作[6]。同时，康复训练必须针对不同的患者设计不同的康复方案， 并有针对性地提供训练所需要的各种参数——运动参数和力参数，在机器人运动场和力场的设计中考虑患者瘫肢的特性。再者，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 下肢康复机器人产品市场

当今，许多国家正在开发各种功能齐全、操作简便安全性能高的下肢康复机器人。而下肢康复机器人作为一种医疗康复机器人，也越来越多的受到产业界的关注。

下肢康复机器人的现有种类包括站立式下肢康复机器人(瑞士 Hocoma图2；美国 Motorica图3、LokoHelp图1等)、坐式下肢康复机器人(瑞士Swrotek；美国 Motorica等)。

在欧洲、美国和日本等国家，医疗康复机器人的市场占有率呈逐年上升的趋势[19]，仅预测日本未来机器人市场，2005年医疗、护理、康复机器人的市场份额约为2500万美元，而到2010年将上升到10500万美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位[20]。在美国，数以百万计的有神经科疾病病史和受到过意外伤害的患者需要进行康复治疗，仅以中风为例，每年大约有60万中风幸存者，其中的20万病人在中风后存在长期的运动障碍。

图2 瑞士 Hocoma：技术特点：后驱动；临床特点：下肢被动的行走运动；优点：支撑部位多；缺点：步态模式单一，穿带繁琐。

图3 美国 Motorica：技术特点：前驱动；临床特点：下肢被动的行走运动；优点：穿带简单, 便于调节；缺点：步态单一。

图4 瑞士：Swrotek。技术特点:结合等速, 功能电刺激于一体；临床特点：主动, 被动, 助动相结合；优点：功能性运动；缺点：调节繁琐。

自主的运动康复训练已成为基本而有效的疗法，而形形色色的康复训练机器人，以其经济的价格，简易的操作，适时的病情反馈与康复训练指导得到医学专家和病人的肯定。在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化康复机器人的需求。所以康复训练机器人广阔的市场前景将推动这一新型的技术得到更多重视与推广。

下肢康复机器人能够在辅助治疗中确保患者的安全性，患者可以接受机器人训练康复机器人辅助训练能获得明显的治疗效果，康复效果具有长期性。另外，机器人可以记录详实的治疗数据及图形，可能提供了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。

康复机器人主要作用于帮助由于疾病而造成偏瘫，或者因意外伤害造成肢体运动障碍的人恢复提高运动能力。脑血栓患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，康复训练对于患者肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。康复机器人作为一种自动化设备，可以帮患者进行科学而又有效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢复[21]。

随着人口老龄化及激烈的市场经济竞争，康复问题将要成为一个社会问题。康复机器人及其系列产品将有广泛的市场前景。

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Research on the Lower Limbs Rehabilitative Robot

XIE Yu-xiao BAI Wei ZHANG Yu Department of Rehabilitation Medicine, China-Japan Friendship Hospital (Beijing 100029)

1006-6586(2010)02-0005-05

R496

A

2010-02-08

谢欲晓，教授，硕士生导师，主任医师，中日友好医院物理康复科主任，中国康复医学会理事，副秘书长、科普工作委员会副主任委员、运动疗法专委会及康复医学教育专委会常委，全国社区康复专委会副主任委员，中华物理康复专委会委员