上肢偏癱康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

邵俊凱

近年來，隨著康復(fù)醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療服務(wù)也正在通過科技創(chuàng)新為腦卒中患者尋找最佳的治療方式。這促使國內(nèi)外開始大量探索穩(wěn)定、科學(xué)的輔助康復(fù)治療的機(jī)器人研究。本文主要闡述上肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展與進(jìn)步以及所面臨挑戰(zhàn)，簡要分析國內(nèi)外現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人設(shè)備系統(tǒng)所存在的不足，以及展望未來研究領(lǐng)域的潛能。

腦卒中是促老年人殘疾的主要原因，它是由于中斷的血液流進(jìn)大腦，損害大腦細(xì)胞，嚴(yán)重情況可致死。而腦卒中幸存者，大多數(shù)有著不同的功能缺失，可能是全癱或者偏癱，對日常生活活動產(chǎn)生了很多不便，生活自理困難。康復(fù)治療是改善肢體功能障礙，促進(jìn)身體恢復(fù)的主要治療手段。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化治療和任務(wù)型訓(xùn)練有助于肢體功能恢復(fù)。腦卒中患者在完成物理康復(fù)治療后，狀況能夠得到持續(xù)改善。然而，很多能夠促進(jìn)肌肉神經(jīng)恢復(fù)的因素，在傳統(tǒng)康復(fù)作業(yè)治療中并未被有效的利用，而傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是治療師與患者進(jìn)行單獨(dú)的訓(xùn)練和評估，這樣的結(jié)果更容易受到醫(yī)療師的主觀人為影響，無法保證得到準(zhǔn)確可靠的評價參數(shù)和客觀數(shù)據(jù)。隨著社會對于有效的康復(fù)治療需求越來越大，傳統(tǒng)手工療法已經(jīng)難于應(yīng)付，康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

上肢偏癱康復(fù)機(jī)器人相比手動物理療法，提供治療持續(xù)時間較長，它可以在完全沒有治療師的情況下指導(dǎo)病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。它具有類似于人的肢體的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Σ』荚谧鳂I(yè)任務(wù)中進(jìn)行指導(dǎo)性訓(xùn)練，通過客觀的測試數(shù)據(jù)來評估病人的情況。這樣不但確保更高效，科學(xué)的治療，而且還大大的降低了成本。此外，上肢康復(fù)機(jī)器人通過與虛擬游戲的結(jié)合，提供一個娛樂的治療方式，促進(jìn)病人積極主動的參與到康復(fù)練習(xí)，大大提升了康復(fù)效率。

康復(fù)機(jī)器人主要分為兩種，一種是末端牽引式機(jī)器人，一種是外骨骼式機(jī)器人。早期研究的上肢康復(fù)設(shè)備是基于末端效應(yīng)機(jī)器人設(shè)計，它是通過牽引病人的手或前臂的一個點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練。美國麻省理工學(xué)院從1995年至今一直在研制名為MIT-MANUS的機(jī)器人，可以提供不同的訓(xùn)練模式，它主要的特點(diǎn)是反向驅(qū)動性，利用主動引導(dǎo)或者對病患施加阻力來干擾上肢運(yùn)動，采集患者整個訓(xùn)練過程參數(shù)加以分析，并將運(yùn)動信息反饋到電腦屏幕上，視覺可視化的觀測到患者的實(shí)時狀態(tài)。在2000年，美國斯坦福大學(xué)設(shè)計出了名為MIME的上肢康復(fù)機(jī)器人，該系列機(jī)器人歷經(jīng)三代研究創(chuàng)新，最終不但能夠獨(dú)立完成患者單側(cè)肢體的訓(xùn)練，而且能夠幫助患者進(jìn)行患側(cè)與健側(cè)的同步鏡像訓(xùn)練。2002年，英國雷丁大學(xué)研制出名為GENTLE/S機(jī)器人，該機(jī)器人通過吊索將患者上肢吊起，系統(tǒng)提供重力補(bǔ)償和驅(qū)動，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。近年來，外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計研究優(yōu)勢逐漸凸顯，如以ARMin、CADEN-7等為代表，這些外骨骼機(jī)器人為患肢提供重力補(bǔ)償，具有多個自由度，可以協(xié)助患者上肢關(guān)節(jié)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動。國外已經(jīng)對這些康復(fù)設(shè)備進(jìn)行廣泛的臨床試驗(yàn)，康復(fù)的效果十分顯著。它不但可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，高穩(wěn)定的重復(fù)式訓(xùn)練，而且能夠精確的保證訓(xùn)練效率和強(qiáng)度。我國近年來雖然已經(jīng)開始重視康復(fù)醫(yī)療工程，但對康復(fù)機(jī)器人的研究仍處于初步階段，僅有個別高校和醫(yī)療機(jī)構(gòu)取得一定的科研成果，如從2000年開始，清華大學(xué)已經(jīng)開展相應(yīng)的輔助神經(jīng)康復(fù)研究，并成功研制設(shè)計出肩肘復(fù)合運(yùn)動康復(fù)機(jī)器人等多種康復(fù)機(jī)器人。與此同時，哈爾濱工程大學(xué)也開展了上下肢智能康復(fù)機(jī)器人的研究，并成功研制設(shè)計了多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人等多個樣機(jī)。然而總的來說，國內(nèi)的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。

隨著科技化進(jìn)程飛速發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)研究已經(jīng)到了一個新的高度。盡管如此，機(jī)器人的操作結(jié)構(gòu)以及作業(yè)空間依然存在局限，當(dāng)兩個活動節(jié)點(diǎn)相互對齊時，很容易形成單一結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致一個自由度的丟失。因此運(yùn)動幅度小，難以進(jìn)行大活動范圍的作業(yè)任務(wù)，對康復(fù)的整體效果也是有影響。用戶的舒適性考慮也有所欠缺，特別是外骨骼機(jī)器人，用戶在穿戴機(jī)器人手臂進(jìn)行作業(yè)訓(xùn)練時，間接的限制了正常狀態(tài)下手臂，致使活動關(guān)節(jié)和肌肉產(chǎn)生不確定性，影響評估結(jié)果。盡管現(xiàn)在的康復(fù)機(jī)器人依舊存在很多不足之處，但隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的日益強(qiáng)大，相信在未來一定會有更大突破。

總的來說，康復(fù)機(jī)器人有著穩(wěn)定，精確，客觀訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)，通過更現(xiàn)實(shí)的任務(wù)型練習(xí)，讓病患在娛樂中得到鍛煉治療，這相對于傳統(tǒng)的手工療法有著很大的優(yōu)勢。目前，國外已經(jīng)有很多康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并取得了一定的成效，而國內(nèi)的康復(fù)醫(yī)學(xué)和康復(fù)設(shè)備還處于初步階段，系統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練資源缺乏，病患卻日與劇增，巨大的社會需求，大力的開展系統(tǒng)性康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計研究更具有現(xiàn)實(shí)意義，隨著現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展，國家的大力支持，越來越多的康復(fù)醫(yī)療師采用多種設(shè)備技術(shù)相結(jié)合的治療手段，這對未來康復(fù)醫(yī)療的整體發(fā)展趨勢有著很大的促進(jìn)作用。相信在不就的將來，上肢偏癱康復(fù)機(jī)器人在應(yīng)對腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練中將得到廣泛的應(yīng)用。

（作者單位：浙江理工大學(xué)）