上肢功能評定裝置的研究現狀

徐奚嬌，胡秀枋

上肢功能評定裝置的研究現狀

徐奚嬌，胡秀枋

本文論述了目前國內外上肢康復裝置在腦卒中康復評定中的應用，重點介紹幾種典型的上肢康復系統，分析了上肢康復評定過程中多參數的獲取方法及評定指標，闡述了上肢康復評定技術未來發展的方向和市場前景。

腦卒中；康復評定；上肢康復；綜述

[本文著錄格式]徐奚嬌，胡秀枋.上肢功能評定裝置的研究現狀[J].中國康復理論與實踐,2014,20(10):916-918.

腦卒中是一種急性的腦循環障礙性疾病引起的大腦神經系統功能缺損，發病后85%患者出現偏側肢體運動功能障礙[1]。偏癱患者半側肢體的運動功能損傷，尤其是手功能和上肢運動功能障礙，極大地影響患者的日常生活。患者大腦神經受損，無法形成對肢體運動的有效控制，導致部分肢體行為能力喪失。上肢功能障礙癥狀包括上肢痙攣、姿勢異常、運動紊亂、肌無力等[2]。對上肢功能進行評估可判定其功能障礙情況及程度，為臨床治療及康復訓練提供依據。臨床上，精確、客觀的評估及理解腦卒中患者上肢運動的功能障礙，已成為制定個性化康復治療方案、觀察治療效果及分析預后的關鍵[3-4]。

目前對腦卒中患者上肢運動功能評定方法較多，最常用的是Fugl-Meyer評定法(FMA)。此量表對每一項肢體運動進行三種不同等級(0、1、2)的評分，根據FMA總得分可得出4種運動障礙等級，由此來評定上肢運動功能的嚴重程度[5]。上肢運功功能評價主要包括肩、肘、腕關節的協調運動，手的抓握、側捏、對捏等運動。臨床上對上肢運動的測量主要依靠人工，醫生借助量角器目測評估。這種方法效率低下，受醫生主觀影響大，限制評價的精確性。因此，智能上肢康復評定器械成為目前研究熱點，且在醫院康復評定中發揮重要的作用。本文主要對智能化上肢康復評定裝置在腦卒中康復評定過程中的應用及國內外發展現狀進行概述，提出上肢康復評定技術進一步的發展趨勢并預測其廣闊的應用前景，為進一步深入研究上肢功能評定的康復設備提供一定的參考依據。

1 上肢功能評定裝置的研究現狀

隨著近年來先進的機電一體化自動控制技術、智能化機器人技術、微型傳感器等先進技術的發展，國內外許多科研機構開展了上肢康復評定技術和裝置的研究，主要是基于這些上肢康復設備的3個關節靈活度，對患者的肩關節、肘關節、腕關節進行康復評估和治療。

美國上肢康復設備和技術的研究一直處于世界前列。麻省理工大學研制出適用于偏癱患者上肢康復運動機械手(MIT-MANUS)。設計者以患者使用的舒適性、安全性、穩定性及柔順性為目標進行研究，如今已有近20年的發展及臨床試驗。腦卒中患者坐在電腦屏幕前，將小手臂及手腕伸入上肢外支架機械裝置中，通過視覺反饋幫助患者做肩部及肘部平面上的主被動運動。MIT-MANUS康復機械手為末端牽引式機器人系統，通過電位器、測速電機、力矩傳感器采集患者上肢運動的位置、速度、力等數據，作為患者上肢康復評定的依據[6-7]。該產品通過在美國Burke康復醫院的臨床應用[8]，表明該儀器對平面運動訓練腦卒中患者的肘、肩關節肌肉群的功能恢復有效，且療效具有長期性。

美國斯坦福大學開發的上肢康復系統設備MIME，可以輔助患者患肢進行肘關節彎曲與伸展、肩關節旋前與旋后等三維空間運動[9-10]。該器械設有兩個可移動的手臂支架，通過系統提供動力源帶動患肢按照健側手臂移動的軌跡完成鏡像運動。MIME上肢康復機器人一側機械臂由健側手臂做主動上肢運動，另一側機械臂由患肢使用做被動上肢運動。因此，從機械設計角度上來說，患側支架不具有反向可驅動力，依靠MIME康復機器人進行測試評估所得的參數僅有健側手臂的運動速度、輸出力、載荷等參數才有參考價值。此設備對患者上肢運動能力要求較高，臨床使用也有相應的局限性，在醫療領域的應用難以普及。

美國芝加哥大學與加州大學共同研制的一種稱為ARM GUIDE康復評定導向器，用來測量腦卒中患者上肢運動功能。該康復設備有3個自由度，配置有一個直線軌道，可通過兩個自由度調節其仰角和水平面的左右旋角，并由電機驅動直線導軌帶動手臂沿著軌道方向進行屈曲、伸展等運動。在運動過程中，傳感器記錄患者前臂所用力的大小和運動軌跡[11-12]。ARM GUIDE根據其設計的機械結構建立相應的幾何學模型，便可計算反饋出當前上肢運動的位置。但該設備評估訓練方式單一，幾何學模型較為復雜，推算出的運動狀態位置誤差較大，無法進行多動作、多狀態、多方式的深入評估測試。

美國BIODEX公司生產的SYSTEM 4 PRO多關節等速評估訓練系統，可綜合評定患者動態下關節及肌肉群的功能，為科學評價患者的運動功能提供可靠的數據[13]。用固定角速度的模式測試肩關節屈曲與伸展、肩關節內旋與外旋、肘關節屈曲與伸展等上肢康復運動動作，測得的等速肌力能客觀評估上肢各關節肌力，檢測其肌肉功能損傷程度等[14]。BIODEX的S4能較全面檢測人體全身關節運動功能，但缺乏相關的康復評定標準。

瑞士、以色列等國家對上肢運動功能康復系統進行了較多的研究。瑞士蘇黎世大學的Tobias Nef等開發了一種新型的上肢三維多關節訓練評估系統Amin。它由一種六自由度半外骨骼裝置組成，安裝有位移傳感器及六軸力矩傳感器，能對患者肘部屈伸和肩膀三維的空間運動進行上肢運動功能檢測評定。Amin提供4種驅動模式，對患者的上肢進行主被動訓練并實時反饋檢測到的數據，通過相應配套軟件記錄上肢每個關節的運動情況，供治療師來評估患者病情恢復狀況[15-17]。但該裝置所選用的傳感機構復雜，不易加工，且運動學模型計算量大，產生的誤差也較大。

以色列邁拓醫療生產研發的肘及肩關節訓練器(ArmTutor)，由便攜穿戴式上肢支架及理療康復軟件組成。儀器內置速度傳感器和位移傳感器，將肘關節及肩關節的運動速度和位移轉換成直觀的虛擬游戲，其系統結構精簡且可評價患者運動的速度、被動及主動運動的范圍，及上肢的運動模型分析，可對手肘彎曲及肩關節屈曲、伸展，外展、內收等肩關節運動部位進行評估[18-20]。該反饋評估系統體積靈巧便捷，但僅適用于檢測評定患者主動運動的上肢功能，對于病情較重的患者不適用，且使用角位移傳感器，輸出的電信號根據其與角度成正比關系需進行轉換，因此存在一定的誤差。

國內對上肢康復訓練評估設備的研究起步較晚，相比國外先進的技術，我國還與之存在一定的差距，近幾年有多個高校及科研機構對康復訓練評估系統進行了一定的研究。

哈爾濱工業大學機電一體化實驗室研制的應用于偏癱患者康復訓練的外骨骼式上肢康復機器人，該系統具有5個自由度的仿人手臂，分別為肩關節2個、肘關節1個、腕關節2個，能實現在水平面及豎直面上進行肩關節及肘關節的運動。該上肢康復機器人可實現輔助患者運動功能，通過實時獲取各關節力矩信號和各關節角速度信號來判斷患者上肢運動意圖并及時反饋給中控系統，利用控制器對上臂驅動裝置運行速度進行調節，從而帶動患者各關節完成運動。該系統對患者運動效果的評定是通過記錄人體骨骼肌肉活動電信號來對患者運動損傷及治療效果進行客觀、量化的評價[21-22]。但這種上肢評定方法還沒有建立一個有效的評價指標，因此系統測得的評定結果在臨床上應用有其局限性。

華中科技大學設計了一種氣動肌肉驅動的外骨骼可穿戴式上肢康復機器人，該機器人具有9個自由度，有8個主動運動關節，包括肩關節左旋右旋、上旋下旋、左移右移、外展內收、前屈后伸、內旋外旋，肘關節屈伸和前臂掌下掌上，還有1個被動關節：前臂伸縮。各關節均由氣動肌肉以兩端反向對拉方式驅動，通過PID(Proportion,Integration,Differentation)控制器調節上肢關節運動參數。該上肢康復裝置配有控制系統軟件，不僅對系統進行控制，同時能記錄患者的康復運動信息及數據，并給予相應的康復評分[23-24]。該康復儀器柔順性能好，PID控制算法復雜，因此產生誤差大，響應速度慢，不易在臨床上應用普及。

東南大學設計的單自由度遠程上肢康復訓練機器人，可以實現被動、主動鍛煉模式和遠程的訓練模式。由機械臂、力矩傳感器、驅動電機等機構組成，用于訓練肩、肘及腕關節的康復運動。該機器人的遠程模式可將患者訓練時系統測得的力和位置等信息實時反饋給康復醫師，為患者提供準確客觀的康復評價，且有助于解決傳統康復訓練方法迫切需要解決康復訓練效率低下、康復評價不夠客觀、偏遠地區患者看病難等問題[25-26]。國內其他大學如上海交通大學、浙江大學、上海大學等高校都對上肢康復訓練機器人進行過相關的研究。但臨床上應用較少，還需有待進一步研究。

2 結論與展望

從上述研究現狀分析來看，至今還無一種能按照國際通用的康復評定標準及臨床需求對上肢進行評估的康復裝置。上肢康復系統大多以能帶動上肢進行康復運動、提升上肢肌肉強度為目標，對上肢功能評定只是一項輔助的功能，用于記錄該系統的上肢運動參數以供醫師參考分析。且這些裝置機械結構復雜龐大，對上肢功能評定也需要通過復雜的建模得到其空間位置，通過力矩傳感器、速度傳感器及其配置的軟件得到其運動參數[27]。當前臨床上十分缺少那些具有針對性的、適用于上肢評定的康復器械，依靠康復醫師用量角尺目測患者上肢運動狀態不能定量分析且費時費力，因此需要通過運動學和動力學建模對能定性定量評定上肢功能的器械進行進一步的研究。

隨著老齡化人口越來越多，腦卒中的發病人數也逐年增加，在未來的上肢康復評定器械設計中，所設置的運動模式應適應于不同病情程度的患者。且設計上肢康復評定器械應往便攜、簡約的方向發展，以便其在家庭康復中得到應用。

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Development of Upper Extremity Evaluation Devices(review)

XU Xi-jiao,HU Xiu-fang.School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China

This paper discussed the application of upper extremity rehabilitation devices in rehabilitation evaluation after stroke,focused on some typical kinds of upper extremity rehabilitation systems.It was analyzed that the way to obtain multiple parameter and evaluation indices during the progress of upper extremity rehabilitation evaluation,and viewed the development and application of upper extremity rehabilitation evaluation technology.

stroke;rehabilitation evaluation;upper limb rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.005

R743.3

A

1006-9771(2014)10-0916-03

2014-04-08

2014-05-04)

上海理工大學醫療器械與食品學院，上海市200093。作者介紹：徐奚嬌(1990-)，女，上海市人，碩士研究生，主要研究方向：康復醫療器械。通訊作者：胡秀枋。E-mail:huxiufang1965@163.com。