文献综述_综述性文献
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下肢康复机器人研究背景
行走功能是表征人行动能力的重要标志，也是保证人进行正常独立生活的必备条件。然而中风、脊髓损伤、颅脑外伤、多发硬化、帕金森病等原因造成的中枢性神经系统受损，会导致患者肢体出现不同程度的运动功能障碍，严重者出现全瘫或偏瘫。患者经过最初的手术或者药物治疗之后，一部分人可以恢复到能够独立步行的程度，但是多数人会伴随一些后遗症，如运动控制能力降低、关节僵直，出现病态步态，导致患者步行过程中能量消耗过高，平衡功能下降，容易摔跤，严重影响了行动能力和生活质量[1]。
中枢神经受损患者在经过急性发病期的治疗后，其运动功能的康复主要依赖于各种康复运动疗法。临床实践证明，急性期过后越早训练，功能康复的效果越好。运动康复疗法的理论基础是大脑可塑性。医学研究显示，虽然受损的神经细胞不可再生，但是神经组织可以通过功能重组或者代偿的方式，使丧失的功能重新获得，即大脑具有可塑性。动物和人体试验均表明，针对肢体的特定功能进行主动或者被动的重复性训练，可以刺激本体感受器接受传入性冲动，导致中枢神经映射区域发生变化，促进大脑功能可塑性发生[2]。这为机器人辅助康复训练治疗技术提供了重要的医学依据。
随着现代机器人技术发展日益成熟，机器人技术在提供长期稳定的重复性定量运动输入方面具有明显的优势。自上个世纪90年代初，国内外研究机构开始探索将机器人技术引入到中枢神经损伤患者的康复训练中，纷纷研制和开发出各种用于上肢康复、下肢康复或者关节康复的康复训练机器人[3]。机器人辅助运动康复训练的意义在于，不仅可将治疗人员从医患一对一繁重的治疗过程中解放出来，而且通过输入定量运动刺激，定量检测和评价手段的实现，为患者提供更为科学的康复训练模式，在保证训练安全性，提高训练效率，改善训练效果方面具有巨大的潜力和优越性，而且可为运动康复机理的研究提供平台[4]。
国内外关于上肢康复训练及局部关节康复训练机器人的研究起步较早，理论和技术相对成熟，而关于下肢康复训练机器人，研究机构主要集中在国外，国内在该方向的研究还较少。由于受下肢关节自由度多、人体行走的平衡及协调机理仍不明确等因素影响，下肢康复训练机器人在机构、运动规划及控制策略方面较上肢康复机器人具有更大的难度，研究进展一直比较缓慢[5]。目前康复训练机器人的研究仍处在起步阶段，表现在训练动作种类比较少，动作范围主要限于训练身体正前方；动作幅度较小，且一般限于平面运动；控制策略单一，主要是基于速度或者位置伺服控制模式，为患者提供被动训练，患者不能自主运动；康复评价指标仍沿用传统的临床评价方法，所以导致训练过程中提取的数据与训练效果之间的关系仍无法明确。近年来国内外很多研究机构在增强康复训练机器人的适应性，提高人机交互功能等方面提出许多新的控制策略，如自适应策略，人机协作策略、柔性控制策略等，但基本上还处于理论研究阶段，有待验证和完善[6]。
据资料统计，我国每年新增神经系统疾病患者超过300余万人，且随着老龄化的加剧，患者人数会不断增加[7]。目前我国三级甲等以上医院虽然设有康复治疗专科，但由于没有相应的专业训练辅助设备，患者的康复效果受到很大的制约[8]。国外科研机构、商业及企业都盯着我国广阔的市场。利用机器人技术及时开发出具有我国自主知识产权的康复设备，对促进我国康复事业的发展，进而形成自己的产业技术具有相当重要的意义。
下肢康复训练机器人主要用于辅助由于中风、脑损伤等神经中枢受损造成的偏瘫、瘫痪等行走功能障碍患者急性期过后的运动康复训练[9]。传统行走训练方法，治疗师的劳动强度大，患者训练强度、持续性难以保证。康复训练机器人在提供重复稳定的定量运动输入方面具有很大的优越性，不仅可从康复早期为患者提供康复辅助训练，更有利于大脑神经功能重组和代偿发生，而且可为患者提供多种训练模式、训练场景及运动效果反馈，满足康复训练的需要。下肢康复训练机器人可作为康复中心或者家庭中使用的自动化步行康复训练设备，具有较高的实际应用价值和广阔的市场前景[10]。
国内外研究动态
康复初期，患者往往由于肌力和控制能力很弱，难以实现自身负重行走，传统康复治疗采用减重训练方式，如在水中训练或借助拐杖等。水中训练需要特定的环境，使用拐杖等助力器需要借助患者上肢的力量，且易造成异常步态。针对上述方法的缺点和不足，悬吊减重训练(Partial Weight System，缩写为PWS)被提了出来。PWS的好处在于可以不同程度地降低下肢负荷，且对步态特征影响很小[11]。国内外多年的临床实验研究表明，只要根据患者的实际情况和训练目标选择恰当的减重程度，PSW有可能成为最为有效的步态训练工具。PSW可以与不同类型的步态辅助装置组合使用。目前临床上普遍采用的是减重移动小车组合和减重踏车组合[12]。
2000年，德国自由大学Hee stefen等人研制了一种下肢康复训练机器人MGT(Mechanized Gait Trainer）。该机器人步态机构采用类双曲柄摇杆机构，驱动脚踏板模仿往复步态的类椭圆轨迹运动。整个机构只用了一个自由度。训练时，患者双脚固定在脚踏板上，上躯干与悬吊减重系统相连，手扶扶手保持身体平衡。该产品经由Reha-Stim公司投资开发，在欧洲和亚洲的多个国家投入试用，取得一定的临床效果。该装置简便，但只提供了脚部位置运动辅助，不能辅助髋膝踝关节运动[13]。2001年，德国弗朗霍费尔研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊线木偶原理，研制了一种绳驱动式下肢康复训练机器人Stringman，配合踏步车使用[14]。2002年，美国加利福尼亚大学David Reinkensmeyer等人研制了两自由度平面康复训练机器人ARTHuR。该机器人采用v型机构测量和控制其顶点的位置，机构顶点可与患者患侧的脚踝或膝盖连接，辅助患肢抬脚或抬腿。与大多数机器人不同的是，ARTHUR具有高度的逆向可驱动性[15]。
日本研制了一种旋转式下肢康复训练机器人。它采用一个大的回转臂通过束具与患者的躯干连接，支撑患者的部分体重，同时患者在回转臂的带动下沿圆周路线行走。该机器人的缺点是行走过程中机器人始终对患者附加不同于正常行走的一个侧向驱动力，病人膝盖会承受多余的剪切载荷[16]。2002年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制了一种下肢康复训练机器人样机。该机器人由三自由度步态机构，姿态机构和重心平衡机构等组成。其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人[17]。
下肢康复机器人的原理
步态康复机器人是一种通过下肢反复进行运动训练，促使病人恢复正常行走功能的自动化医疗设备。一般由步态机构控制，重心调整机构和重力平衡机构组成，各个机构协调运动，模拟人的行走状态，步态机构带动患者脚步运动，实现步行时脚步的运动特征，包括脚的运动特征，脚的姿势等，避免过去患者在电动踏步机上训练时必须由护理人员协助患者的脚步和脚步运动，在减轻护理人员的劳动强度的同时，可提高患者的连续性，持续性和科学性[18]。
康复机器人可早期对患者进行以负重、迈步和平衡三要素相结合为特征的步行训练。通过使用悬吊装置给患者提供合适的支持,减轻部分体重,去除其下肢应承受的体重,并重新分配,从而减轻腿部的负担,以保持正确的直立位[19.20]。这样就可使患者能在康复早期还不具有足够承重和保持平衡能力的情况下,进行直立位步行训练,从而能有效地利用病情稳定后早期这段最有恢复潜能的时期[21]。
减重治疗后F A C得分显著提高可能的原因是:当悬挂系统负担了一部分患者的体重后,利用设置在一个较慢速度的活动平板让患者进行水平的运动,活动平板所提供的不间断的、有节奏的滚动可带动患者步行,并加强了双腿在运动中的协调性；另外,减重装置为患者提供的安全感,可以消除患者因担心步行时摔倒而产生的紧张和恐惧[22.23.24]。从心理学的观点看,让患者尽早具有行走的体验也非常重要,可以使他们能够以相对正常的步态行走。随着患者步行功能的改善,患者自己承受的重量和活动平板的速度逐渐增加到自然状态,并过渡到平地上进行练习,最后获得独立步行能力。反复多次训练可提高患者的学习能力[25]。
减重训练后B B S功能和偏瘫下肢运动功能明显改善。可能的原因是:减重状态下为患者提供了一个更近似于生理模式的步态,有利于避免不必要的协同运动和异常代偿性步态；以正常生理步行模式进行反复训练,可促进正常步态的恢复,提高步行能力；早期反复的整个步态练习,可使躯干肌得到锻炼,有利于直立姿势和行走;同时由于下肢肌肉可获得全面的被动和主动训练,从而减少肌萎缩、维持肌肉容积及增强肌力,有效地锻炼了偏瘫下肢承重及步行能力,使患者由于患肢承重能力、肌力下降所致的失平衡状态得到改善[26]。随着下肢承重能力的发展、步态对称性的改善、肌肉活动的规律化、生理化,患者平衡功能及运动能力得到提高。
康复机器人的发展趋势
随着机器人技术和康复医学的发展，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，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250000美元，而到2010年将上升到1050000美元，其增长率在机器人的所有应用领域中占据首位[27.28]。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600000中风幸存者，其中的二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。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，如跑步机式康复训练机器人、手臂训练机器人、踝关节训练机器人、下肢训练机器人，以及人工假肢、电动轮椅等，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[29.30]。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、人机工程化的康复机器人的需求[31.32.33]。
总结
鉴于康复机器人的应用背景,康复机器人需要满足安全性、有效性和舒适性的要求。康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合,不再把机器人当作辅助患者的工具,而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。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在以后得到更多的重视与推广。参考文献
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