雙重減重智能步態康復水療訓練系統的設計與研發

余雨荷，許明，張泓

中樞神經系統損傷如腦卒中和脊髓損傷等造成的肌張力過高、姿勢異常[1]，肌力下降及下肢骨關節病等造成的關節活動受限，嚴重影響了患者的日常生活尤其是行走功能，大大降低了患者的生活質量和信心。但在醫療資源相對緊張的情況下，較少的康復治療師的數量與龐大的康復患者群體的需要的矛盾日益突顯[2-4]。

我國康復醫療器械市場隨著康復事業的發展而迅速發展，水療也是康復醫學研究的一大方向，并且對下肢功能障礙的康復也有獨特的療效[5]。但針對下肢運動功能障礙康復的醫療儀器結構和功能較為單一，訓練模式趣味性不高，且很少有將水療法與下肢步態訓練相結合的醫療技術產品。因此研發“雙重減重步態康復水療訓練系統”[實用新型專利號：ZL.201520271043.3,發明專利申請號：201510213213.7]，實現水療與步態康復相結合，利用雙重減重適應不同患者和時期步態訓練的需要，精確評估和量化治療參數，模擬正常運動軌跡輔助患者步態訓練，加速患者功能恢復。

1 理論基礎

1.1 水療法 水療法是利用水的物理和化學性質，促進軀體感覺和運動功能恢復的一種治療疾病的方法，在康復醫學領域應用的越來越廣泛；且水療發展的新特點就是與運動療法相結合即水中運動療法[6]。作為水療法的重要組成部分，水中運動療法具有提高肢體運動功能和緩解患者心血管癥狀及疼痛的功效，在腦卒中[7-8]、膝骨關節炎[9]、燒傷等疾病中應用較為廣泛[10]。水療法在國內的應用相對較為落后，但在發達國家已是一種成熟的治療訓練技術。其中水中平板步行訓練(underwater treadmill training, UWTT)療法是一項較新的水療康復技術,是種將水療與減重平板步行訓練的特點相結合，從而提高下肢功能的訓練方法[11]。有研究發現水中平板步行訓練能以較少的做功維持步行，減輕下肢負荷和耗能,緩解痙攣,減輕肌肉萎縮,增強殘存肌力,減少心血管疾病的危險因素,改善體位性低血壓等[12]。此外通過UWTT能夠增加膝關節伸肌的峰力矩[13]，改善腦卒中患者的步行能力[14]，在訓練的同時還具有恒溫冷卻、放松肌肉的功效[15-16]。總的來說相較于普通平板運動訓練和減重平板訓練，水中平板運動訓練在改善心肺功能的同時者，更能夠改善下肢的步行能力、平衡能力以及肌肉力量和耐力[17]，還可使患者盡早獲得站立和行走的能力，且同時兼有水療法的多種功能[18]，實現多樣化治療方式，降低平地訓練風險和難度，提高康復效率。

1.2 步態訓練療法 目前針對下肢訓練的康復方法主要有肌力訓練，平衡訓練，重心轉移訓練，治療師輔助步行強化訓練，下肢康復機器人，減重平板訓練等[19-20]。其中人工輔助步行訓練多是缺乏整體性的節段式訓練，治療師從上至下對患者髖、膝、踝關節逐級進行肌力和穩定性訓練，但是容易出現患者下肢單項功能較好但綜合步行能力差的尷尬局面[21]。此外訓練下肢的過程中不能充分保證患者軀干的穩定，安全性不高，保護度較差，存在跌倒風險，患者對治療的信任程度不佳。而機器人輔助訓練憑借高強度，重復性，反饋互動性及任務導向性的特點，從而實現輔助或替代患者的功能運動或進行遠程訓練，其中外骨骼式近端驅動型機器人在臨床應用較為廣泛[22]。很大程度上解決了精準性和可重復性較差等導致的康復效果難以評判的問題[23-24]，以及減少了過分依賴治療師的體力精力、態度和治療水平等因素的狀況出現。其優勢在于把智能控制與人體運動相結合，允許更密集的重復訓練和較高的工作強度，在一定程度上彌補治療師的體能不足和以合理的成本提供治療，并且通過測量力量和運動模式來定量評估運動恢復的水平。有研究發現讓患者進行重復性的處于正常生理垂直負重姿勢下的全真模擬步態訓練，有利于提高大腦神經回路的傳遞效率[25]，擴大受訓部位在大腦皮層的支配區域，促進神經功能重塑和運動再學習的過程，最終達到恢復患者運動及控制能力的目的。

1.3 傳統中藥藥浴療法 古云“頭有瘡則沐，身有瘍則浴”、“外治之理，即內治之理”，中藥藥浴療法作為中醫外治法之一，結合了水和中藥藥物的雙重作用，對防治疾病具有獨到功效，且由于其簡便、迅速、安全舒適的特點更易為患者所接受。作為一種傳統的物理療法，其作用機理是借助水的溫熱作用和藥物自身的功效，作用于肌表，循行經絡血脈，由表及里，起到溫煦肌肉，活血化淤，疏通經絡，濡養全身等功效[26]。有研究表明，藥液中有效離子成分被皮膚或黏膜吸收作用于病變部位，不經過肝臟的首過效應及胃腸道因素的降解[27]，藥物得到有效利用。且由于局部毛細血管擴張，血液和淋巴循環加快，有利于改善血液的濃、凝、聚、粘狀態，加速炎性物質的代謝，消除肌肉疲勞，改善全身機能狀態[28]。在本系統中，醫生辯證地選取中藥藥方，經過加工熬制按照一定的比例均勻混合于訓練水池中，讓患者的肢體充分浸泡，如針對氣虛血瘀證的腦卒中患者肢體痙攣時選用活血祛瘀的桃紅、乳香；舒筋解痙活絡的木瓜、伸筋草；滋補肝腎強筋骨的桑寄生、杜仲、牛膝，緩急止痛；外加雞血藤舒筋活血，白巧舒肝柔筋，路路通益腎填精等，最終達到降低肌張力緩解肌痙攣的作用。

2 系統介紹

從雙重減重智能步態康復水療訓練系統的系統結構、使用方法及適應證禁忌證三方面介紹如下。

2.1 系統結構 雙重減重智能步態康復水療訓練系統由天軌懸吊系統和水浴系統組成(如圖1)。

1-導軌 2-滑塊 3-拉繩 4-智能式吊帶 5-訓練水池 6-吊帶驅動裝置 7-渦輪發生裝置 8-鏡面 9-步態引導裝置及遠程傳感器

2.1.1 天軌懸吊系統 天軌懸吊系統包括固定在訓練水池上方的導軌1，沿導軌滑動的滑塊2，拉繩3及連接固定患者身體的智能式吊帶4。智能式吊帶由腰部和骨盆兩部分組成，內設感應裝置可及時收集在不同步態時期的拉繩拉力并將數據傳輸帶計算機中。智能式吊帶配合水池兩側輔助轉身以及控制重心改變的扶手，主要起到固定保護的作用，保證患者在治療過程中的安全性。由于患者個體有差異，穿上智能式吊帶需要調節拉繩的高度以適合不同身高的患者，因此在所述拉繩上方還安裝有可升降和移動吊帶的驅動裝置6，便于運輸患者至訓練水池。驅動裝置為電機驅動。所述電機自帶驅動蓄電池和控制器或遙控器。

2.1.2 水浴系統 訓練水池5為矩形，長3.5m，寬1.5m，高1.2m。在訓練水池一個角上設有可供患者進入水池的扶梯，梯子的高度和斜坡可調節，方便肢體不便者進出。訓練池中還設置有溫度調節裝置，實現不同溫度的水浴包括冷水浴：15℃～28℃；涼水浴：28℃～33℃；不感水浴：34℃～36℃；溫水浴：37℃～38℃；熱水浴39℃～42℃，治療過程根據患者具體功能情況對溫度加以調節,一般水溫設置在36℃～38℃為宜[29]。針對不同患者的情況，辨時辯證的選取中藥加入水池中，達到疏經活絡，消腫止痛等功效，實現傳統中藥藥浴與現代康復水浴相結合。在訓練水池中還安裝有渦流發生器7，可使訓練池中的浴水發生漩渦、氣泡和水流噴射，從而使患者在訓練的過程中同時進行渦流浴，增強本體感覺輸入和訓練的復雜性，加快中樞神經損傷后肢體癱瘓、截肢后殘端痛的康復。作為對前述方案的改進，在訓練水池的兩側裝有鏡面8用于訓練中患者的姿勢調整以及在池底安裝有步態引導裝置及遠程傳感器9。步態引導裝置主要是地板顯示屏，在通電后會顯示由電腦生成的標準化足印(如圖2)。地板顯示屏與池水之間有隔水層。隔水層是玻璃、透明防水膜等材料，可以防止池水進入地板顯示屏。患者在訓練時，沿著地板顯示屏上顯示的標準化足印進行全真模擬下的步態訓練，遠程傳感器通過受力方位、壓強、速度等物理量收集數據，形成步長、步幅、步寬、步速及足偏角等信息并反饋于計算機系統，通過信息處理自動分析生成此次訓練的成果報表。另外，為了讓患者更好地感知自己的訓練情況，地板顯示屏還設有生物反饋，能提供實時的動態檢測與分析反饋，包括視覺反饋和振動覺反饋。當患者踏上正確的足印時，足印產生紅光，即視覺反饋。此時，足底同樣會有振動感覺的輸入，即振動覺反饋。相反，若患者的足印與所顯示的足印偏差較大時，紅光的強弱和振動感覺的大小就會相應減弱。這種實時的生物反饋不僅保證訓練過程的一致性和準確性，而且在訓練中能及時發現患者運動偏差，加深患者對錯誤運動模式的認知并及時主動做出正確的步態姿勢調整，從而強化治療效果，實現自主訓練。值得一提的是，訓練前后評估參數的完善對治療方式的確立和調整至關重要。

圖2 地板顯示屏步態引導圖

2.2 使用方法 患者在醫生、治療師或家人的陪同下，使用輪椅的患者通過水池旁可自動調節的斜坡達到治療平臺，下肢功能狀況較好者可沿著扶梯進入訓練水池。用天軌懸吊系統固定保護之后，治療師使用遙控設備驅動系統將患者運輸至水池適當位置開始雙重減重步態訓練。訓練時根據地板顯示屏上的個性化足印，在計算機的引導下實現模式化智能化的下肢步態康復。與此同時，患者根據足底所接收到生物反饋的情況和面前的姿勢鏡自動進行步態和姿勢調整，從而實現重復多次的精準訓練。治療處方及治療方式的選擇主要依靠患者功能情況，三種療法即雙重減重步態訓練、渦輪浴、中藥藥浴，可單獨或綜合使用，從而擴大適應人群。

2.3 適應證與禁忌證 本系統主要適應于胸腰骶段脊髓損傷痙攣性截癱、偏癱(非軟癱期)、脊髓灰質炎、強直性脊柱炎、腰骶神經根炎、坐骨神經痛、下肢骨折愈合后、骨關節炎、腰椎間盤突出、慢性阻塞性肺疾病等疾病的非急性期、其他疾病導致的下肢肌力下降和關節攣縮及肥胖者等。禁忌證主要包括高位頸髓損傷及弛緩性截癱者，完全無自主步行能力者；疾病急性期，生命體征不穩定者；嚴重心肺功能不全者；患嚴重傳染性皮膚病者；骨折或燒傷的未愈合期以及對水有恐懼感的心理障礙者和訓練不配合者等。

3 系統優勢

本系統將水療、機器人輔助訓練和中藥藥浴有機結合并加以創新，相比于現有的步態訓練方法，雙重減重智能步態康復水療訓練系統具有以下四大優勢：

3.1 雙重減重的支持性 許多研究已證實減重訓練對人和動物的神經系統和下肢步行功能的康復均有確切的療效[30-34]。對比單純陸地的平板步態訓練，本系統借助水的浮力，且通過天軌懸吊系統實現雙重減重，能更大程度地減除身體的部分負重，最大限度降低早期訓練難度，部分彌補患側下肢邁步相屈髖肌群肌力的不足和關節活動范圍減小以及支撐相膝過伸的問題，降低病理性髖外展外旋等異常步態姿勢，提高步態對稱性[35]。可以滿足不同疾病和同一疾病不同時期的下肢負重功能的需要，循序漸進的改變治療難度尤其是降低了早期康復訓練的練習難度。與此同時，不同于現有其他機器人訓練的是本系統增加了步態引導裝置即電子足印，并伴有生物反饋功能，在標準化模式化步態訓練中更能實現患者的自我調整。系統可引導訓練者雙下肢主動進行髖膝踝的運動，維持患者膝關節伸肌的力量，從而提高患者膝關節的穩定性，提高患者平衡與肢體協調能力及下肢的運動感知能力，更快建立出新的感覺—運動神經通路，實現從水中到平地康復訓練的過渡。患者在水中訓練在一定程度上會感受到阻力，速度相對陸地訓練較慢，因此患側下肢負重時間也相應增加，有助于患側下肢肌力改善,且耗氧量也會明顯較陸地步行訓練增加。因此訓練時患者的心肺功能也會有所提高。

3.2 步態康復的整體性 本系統基于水療法、中藥藥浴及機器人輔助訓練療法理論，不同于傳統的步態分解訓練方式，將步態訓練作為一個整體，循環多次重復訓練步行周期的各個部分包括支撐、擺動和重心轉移等，使其最大程度接近正常的生理步態模式，刺激潛在的中樞模式發生器(central pattern generator, CPG)，提高神經系統可塑性[36]。相比穿戴式下肢機器人，本系統在患者運動訓練時沒有過多的束縛，軀干、四肢的活動性更大，尤其鼓勵患者盡早放開扶手，按照正常的生理步行節奏規律地擺動上肢，在步態訓練的同時又改善了姿勢平衡和協調的能力，從宏觀上整體恢復肢體運動功能[37]。

3.3 治療方式的多樣性 本系統在一定程度上改善了以往結構和功能單一的步態訓練問題，將水療法與步態訓練，中藥藥浴和渦輪浴相結合實現了從多項多次繁瑣訓練到單項多次綜合訓練的轉變。充分利用多樣化的治療方式提高治療效果加之水中訓練的娛樂性及新奇感勝于其他運動，能激發患者運動訓練的興趣、積極性及主動性，增加康復的信心，避免了在陸地上由于難以達到訓練效果而使患者自信心受挫的問題，有效地縮減了心理障礙期，促進康復目標盡早實現。

3.4 數據收集與分析的量化性 系統在訓練前對患者功能進行全面量化評估，此外通過適時科學調整訓練模式、訓練時間、步態參數等，有效量化控制訓練的強度和進程，分析康復療效，有利于調整治療方案和回顧性研究統計,對于不同患者以及同一患者恢復的不同階段的個性化訓練方案的制定起到指導作用。這也是與現有的懸吊系統相比本系統的優勢所在，即訓練過程智能化和訓練數據量化。在訓練過程中收集患者有效的姿勢和步態訓練信息，形成數據庫，觀察正常生理狀態和病理狀態的步態總體特征和相應指標變化情況，有利于進行步行相關的科研統計，但本系統在訓練時，更加要求患者具備一定的下肢運動功能，針對疾病軟癱期和下肢完全無法自主步行者并不適應，使得適應人群有一定程度的縮小，這也是本系統需要不斷改良和完善的地方，為以后的深入研究指明了方向。

4 實用性分析

首先基于以上三大理論基礎及大量臨床研究發現，水療法和機器人輔助訓練療法均在下肢功能康復方面應用技術較為成熟，且療效顯著。這也為本系統的研發與生產打下了堅實的基礎。其次，將水中運動與天軌懸吊結合實現的雙重減重降低了訓練初期的難度系數，并輔以中藥藥浴療法，也是本系統的一個實用創新及特色之處。此外，與同類型步態訓練機器人相比，本系統結構相對簡單，成本低廉，易于生產和操作。最后，面對下肢功能康復的廣闊市場和受眾人群，雙重減重智能步態康復水療訓練系統為下肢運動功能障礙的診斷和治療提供一個新的思路。

綜上所述,雙重減重智能步態康復訓練系統能夠將水療法、步態訓練及傳統中藥藥浴相結合，綜合治療下肢功能障礙，提高患者康復訓練積極性，利用機器人輔助訓練實現精準控制步態治療參數，并且記錄治療數據，方便醫生和治療師及時評估和改善訓練方案，使患者獲得專業、優質、個性化的康復指導，完成針對性強的康復訓練。同時通過數據庫的建立，本系統也可以作為臨床科研的直接參考對象，對康復醫學發展亦有貢獻。