氣動技術在腦卒中康復中的應用

徐奚嬌，徐秀林

腦卒中俗稱中風，是一種突然起病的腦血液循環障礙性疾病，具有高發病率、高致殘率等特點。我國第三次國民死因調查結果表明，腦卒中已經升為中國第一位死因[1]。近二十年監測結果顯示，腦卒中年死亡人數逾200萬。現幸存腦卒中患者700萬，其中450萬患者不同程度喪失勞動力和生活不能自理，致殘率高達75%[2]。目前，對于腦卒中的治療，醫學界普遍認定的方法是在前期加以手術和藥物治療，而后期即恢復期則進行適當的康復訓練，以恢復其運動功能。現代康復醫學理論和實踐證明，康復訓練可以提高患者運動功能，幫助患者實現生活自理[3]。

氣動技術是氣壓傳動與控制技術的結合。它以壓縮空氣為動力源，帶動機械部件完成移動或旋轉動作，進行能量或信號的傳遞。氣動技術具有高速高效、清潔安全、低成本、易維護等優點。近幾年，氣動技術越來越向便攜化、精密化、智能化、節能化方面發展[4]。氣動技術應用最典型的代表是機器人，其模仿人類的手腕、手臂以及手指，能正確迅速地完成做抓取或放開等細微動作[5]。

氣動技術在醫療行業中的應用愈見成熟，如國內外牙科綜合治療臺運用氣壓傳動作為其主要工作動力[6]；呼吸機、麻醉機、微創器械[7]等都運用了氣動傳輸系統。一些康復器械需要運用驅動器來驅動，與電機驅動相比較，氣動驅動在安全性、柔順性、輕巧性等方面都有優勢[8]。以下介紹氣動技術在腦卒中康復器械中應用現狀。

1 氣動人工肌肉

肌肉力弱是腦卒中患者常見的癥狀，嚴重影響患者的運動功能。研究表明，強化肌肉訓練對腦卒中患者的運動功能恢復有積極作用[9]；對于腦卒中力弱患者需進行適當的漸進式抗阻訓練。氣動人工肌肉是目前比較理想的仿生肌肉，它通過調節其內部的氣壓來控制肌肉的收縮。氣動肌肉有輸出力大、使用簡單、可彎曲、柔性好、安全等優點[10]，能實現傳統電動機所不能實現的彎曲變形等運動形式。

氣動人工肌肉的種類繁多，但其基本原理都是由氣壓控制的可收縮性驅動器[11]。應用氣動肌肉的康復裝置種類豐富，如仿生臂、機械手、關節驅動、動力行走機構驅動等。最常見的是仿生機器人手臂。日本岡山大學研制一款新型的柔性氣動肌肉驅動器，可應用于機器人的手臂或其他康復器械等。該機械仿真手臂通過對氣動肌肉的控制，帶動人的手臂實現等速運動。機械仿真手臂具有3個自由度，其中兩個彎曲自由度及一個伸展-收縮自由度。機器人手臂用于康復治療分為兩種使用方法：主動控制運動和被動控制運動，這款機器人手臂通過嵌入式控制器能實現兩種運動的控制方法[12-14]。

2 氣動康復手套

越遠端的肢體部分，康復越困難，腦卒中患者手指功能恢復最難。為了使患者能夠恢復基本的手功能，達到生活自理的水平，需要穿戴康復手套對手指反復進行彎曲、伸張、握取等動作訓練[15]。康復手套按照驅動形式分為電機驅動與氣動驅動兩大類。電機驅動的康復手套結構復雜、體積龐大、安全性能差，因而康復手套多用氣動驅動來實現。

目前，最先進的手部康復運動是在一個新穎的虛擬環境中，結合氣動設備進行手指康復訓練。美國Illinois大學Lauri設計的氣動手套，利用空氣壓力促使手指伸展收縮[16]。它由在手掌一側的定制氣囊及手背一側的萊卡面料組成，萊卡面料上有一個拉鏈開口，方便穿上和脫下手套。氣囊由聚氨酯材料合成，有5個獨立的通道，每個通道對應一個手指。在每個通道內，空氣壓力產生一個伸展的力，幫助五指伸展，而且每個通道的氣路都是相對獨立的，它們各自連接一個氣動數字伺服閥，伺服閥提供的空氣壓力介于0～10 psi(1 psi=6.895 kPa)。由程序實現上位機控制氣動手套工作。在虛擬環境中，患者使用氣動手套進行康復訓練時，不僅可以進行手指伸展和彎曲等動作的康復訓練，還可以感受到虛擬環境提供的觸覺反饋[17]。

3 氣動上肢康復裝置

腦卒中導致上肢運動功能受限，嚴重影響日常生活。上肢的康復訓練裝置主要幫助患者進行伸展、彎曲、舉起等動作訓練[18]。

目前氣動上肢康復訓練裝置的發展趨勢是設計便攜式、性價比高、柔順性好的外骨骼可穿戴的上肢康復手臂，采用此器械進行訓練時，患者手臂運動更加靈活一些，可實現更大的運動范圍。這些上肢康復裝置與虛擬現實技術相結合，實現虛擬現實康復訓練[19]，能使患者主動積極訓練。美國特蘭西瓦尼亞大學設計了一種新型柔性上肢康復裝置，采用氣缸與氣動柔性驅動器復合驅動，能夠實現多功能治療肩、肘、手關節康復；通過和上位機串口通訊，能夠實現虛擬環境下的康復運動訓練。被動訓練過程中，在自由訓練階段使用氣缸驅動，以相對較快的速度驅使上肢運動至極限活動位置；在拉伸訓練階段選用氣動柔性驅動器，使得上肢訓練過程平穩且柔順。這種氣動方式可使驅動器與阻尼器合二為一，能極方便地實現患肢從被動到半被動，再到主動運動的康復訓練過程[20]。

4 氣動下肢助力康復裝置

腦卒中患者多數伴有偏癱癥狀。器械輔助治療偏癱最有效方法是肢體的康復運動訓練。在康復初期，患者無法站立行走，多選用減重床進行被動訓練。在康復后期，患者能夠站立可進行行走訓練時，選用下肢助力機械裝置進行抬腿邁步行走等動作訓練[21]。

如今已有多種可穿戴式下肢外骨骼康復裝置研制出來，這些器械采用的驅動方式主要為伺服電機、液壓傳動等。但是，下肢外骨骼康復設備存在著適用性不廣泛，需要考慮其尺寸、所能承受的應力等，這些問題都限制患者的康復訓練[22]。日本岡山大學自然科學和技術學院的Sasaki研制了一款可穿戴式下肢助力康復器械，此器械可彌補下肢外骨骼康復設備的缺點。此裝置形似一條普通褲子，由尼龍綁帶將具有柔順性能的氣動驅動器固定在膝蓋部位。氣動驅動器內設4個氣囊袋，囊內氣體壓力產生一個沿尼龍綁帶反向的力及膝關節處的一個軸向力。褲子的下端固定在鞋跟，將軸向力轉換成幫助下肢彎曲的扭矩。在氣動驅動器的氣囊內分別充入0、30、50 kpa恒壓，就能輔助患者進行下蹲、站起、邁步、上下樓梯等康復運動[23]。

5 氣動減重步行訓練器

腦卒中患者進行一定時間的功能康復后，可進行步態行走能力訓練。減重步行訓練是近幾年來治療腦卒中偏癱步態的一種新方法[24]。訓練治療通過支持一部分體重，減輕下肢負重，使患肢實現重復練習完整的步行周期，延長患側下肢支撐期，也增加訓練的安全性。

氣動減重步行裝置常見的是懸吊式氣動減重步行器。患者肩部由綁帶固定，并由平行連桿機構提拉，提拉的動力由氣彈簧配合氣缸驅動。該氣動減重步行器配有下肢矯形器，幫助患者進行步態的重塑[25]。然而，由于懸吊式減重力的支撐點與人體重心不重合，會產生力矩影響患者的舒適度。

為了克服上述懸吊式減重缺陷，讓患者在舒適安全的減重環境下進行訓練，美國AlterG公司設計研發出反重力步行器。它使患者腰部以下處于氣囊中，通過增加氣囊內空氣壓力來提升患者，減重量最大可達到體重的80%。患者在該減重步行器上進行訓練時無任何不舒服感，步行的感受就如同在太空漫步一樣。該反重力步行器采用了差壓氣動技術，由氣泵造壓并控制氣壓變化，使囊內氣壓能夠平穩地舉起患者進行康復訓練[26-27]。

6 總結與展望

從國內外康復器械研究狀況看到，氣動技術由于其在安全性、柔順性、高精度等方面的優勢，在腦卒中康復醫療中應用廣泛。許多研究者開發出多種新型氣動元件，并與智能化、網絡化技術相結合，用于醫療康復領域中。

在我國，康復醫學工程還處于初期階段，氣動技術應用于康復運動器械的研發工作才剛起步，與國外相比有一定的差距。未來氣動技術應用于康復醫療發展趨勢有如下幾個方面：①開發氣動驅動與電設備一體化的機電氣一體化康復設備，并向智能化方向發展；②研發基于氣壓原理應用于康復醫療的新型驅動器，提高其驅動速度、可靠性等方面特性；③拓展氣動技術在康復領域的遠程系統及虛擬技術。

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