腦卒中手功能康復機器人應用研究

文/張捷，李源莉，孟銘強

（1.上海中僑職業(yè)技術大學護理與健康學院；2.上海中醫(yī)藥大學中醫(yī)智能康復教育部工程研究中心；3.上海希潤醫(yī)療器械有限公司）

1.腦卒中手功能康復背景

1.1.腦卒中是健康的第一殺手

腦卒中（stroke）是我國成人致死、致殘的首位病因，具有高發(fā)病率、高致殘率、高死亡率、高復發(fā)率、高經濟負擔五大特點[1]。隨著中國人口老齡化及城鎮(zhèn)化進程的加速，腦卒中危險因素流行趨勢明顯，腦卒中疾病負擔日益增加。數據顯示，2020年我國40歲以上人群中,卒中患者約為1780萬,卒中新發(fā)患者約為340萬,卒中相關的死亡患者約為230萬[2]。腦卒中后多半有運動、言語、認知、吞咽等功能障礙。

1.2.手功能康復是卒中康復的難點

手是人體重要的運動器官，關節(jié)自由度多，非常靈活，與我們的日常生活活動息息相關。人的上肢功能占全身功能的60%，手指功能占上肢功能的90%。手運動功能區(qū)占大腦皮層運動功能區(qū)的1/3，如圖1。腦卒中后約60%的患者會遺留手功能障礙。據文獻報道，腦卒中后3個月只有12%的患者手功能正常，38%的患者存在明顯手功能障礙。腦卒中后6個月約30%~66%的患者不能實現手功能的完全恢復[3]。實現日常生活自理是腦卒中患者最大的愿望，而手功能障礙嚴重影響生活質量，因此手功能的康復是卒中康復的難點和關鍵。

圖1 大腦皮層運動功能區(qū)

1.3.目前手功能康復效果有待提高

目前腦卒中引起的手功能障礙康復治療方法，是加強肌肉的鍛煉，通過運動學習來重建或改善腦卒中患者手部運動功能，防止患者神經、肌肉的廢用性發(fā)生，促進大腦神經代償。傳統的康復治療中，治療師對患者進行一對一的康復治療，手把手的進行肢體康復，這種方法不僅勞動量大、效率低、費用昂貴，而且只能在專業(yè)的康復機構進行康復，難以在居家環(huán)境實施康復治療；同時，治療效果依賴于治療師的經驗和手法，缺乏評價訓練參數和康復效果關系的數據，難以對康復訓練方案和參數進行優(yōu)化從而獲得更好的治療效果[4]。

如何更有效地改善腦卒中患者的手功能一直都是康復工作者們需要迫切解決的棘手問題之一。手功能康復機器人作為近年新興的手功能康復治療方法之一，已被逐漸應用于臨床實踐，并取得了較好臨床效果。本文主要介紹手指功能康復機器人產品的國內外現狀，提出了SRH軟體手功能康復機器人新方案。

2.手功能康復機器人發(fā)展

2.1.人手結構分析

人手骨骼結構主要由腕骨、掌骨、指骨所組成，指骨又由近端指骨、中指骨和遠端指骨組成，如圖2。

圖2 人手結構圖

人手自由度（DOF）共有21個，四指每個手指有4個自由度,其中掌指關節(jié)(MCP)具有2個軸線垂直相交的轉動自由度，近端指間關節(jié)(PIP)和遠端指間關節(jié)(DIP)各有1個自由度。大拇指除了指間關節(jié)(IP)以及掌指關節(jié)各1個自由度外，腕掌關節(jié)(CM)具有3個自由度，共有5個自由度。正常成人手指關節(jié)活動范圍見表1[5]。

表1 正常成人手指活動范圍

2.2.手功能康復機器人的康復原理

神經康復學科共識，成熟腦組織結構和功能具有可塑性，其可塑性有賴于傳入刺激。神經元缺乏再生及分裂能力，但神經元間的聯絡可以重建。大量研究表明，腦卒中后患肢功能的恢復主要源于腦的可塑性變化。手功能康復機器人主要是針對腦卒中患者的患手進行集中、重復、強化訓練。手功能康復機器人能促進兩側大腦半球與運動相關的可興奮神經組織(包括對側頂葉后部、軀體感覺區(qū)等)被激活，并通過與初級運動區(qū)、運動前區(qū)、輔助運動區(qū)等的聯系，形成新的運動模式，也可與病灶對側大腦皮質發(fā)生聯系。激活同側手的皮質投射區(qū)功能，從而加速腦卒中患者患手功能的恢復[3]。

2.3.手功能康復機器人優(yōu)勢

手功能康復機器人輔助療法與傳統康復訓練比較，其優(yōu)勢如下[3]:

① 高效訓練：可優(yōu)化治療師對患者進行一對一的康復，手把手的進行肢體康復治療的方式。一名治療師可以通過多臺手功能康復機器人，同時給多位患者進行康復治療，提高康復訓練的效率；

② 精準康復：根據手功能康復機器人設定康復功能，可以確保康復訓練過程中的一致性，且其康復治療效果不受人為因素的干擾；

③ 趣味康復：結合手功能康復機器人生物信息反饋和游戲康復，為患者提供任務導向性和趣味互動性的康復訓練，可提高患者主動配合進行康復訓練的積極性，改善患者康復依從性；

④ 量化評估：運用先進傳感器，手功能康復機器人可以監(jiān)測訓練過程中的數據，患者能看到自己康復的積極量化效果，增強康復信心，同時為康復醫(yī)師對康復效果進行跟蹤、評估、量化分析提供依據。

3.手功能康復機器人的發(fā)展現狀

近年來，隨著機器人技術的發(fā)展，國內外對于手功能康復機器人大量研究，涌現出各種手功能康復機器人。

3.1.手功能康復機器人的分類

手是人體重要運各器官，生理結構復雜，關節(jié)自由度多，非常靈活，使得手功能康復機器人產品也相對復雜，出現了多種手功能康復機器人技術路線。目前典型的手功能康復機器人產品，按照控制部位可分為末端控制手功能康復機器人和外骨骼手功能康復機器人；按照驅動方式可分為電機驅動、線纜驅動、氣動手功能康復機器人等。

3.2.目前國內外典型的手功能康復機器人產品

① 奧地利Tyromotion公司Amadeo末端控制手功能康復機器人

奧地利Tyromotion公司聯合格拉茨科技大學和康復臨床中心研制的Amadeo智能手康復系統，是一款進行手及各手指獨立主、被動訓練的，電機驅動末端控制手功能康復機器人系統，如圖3。使用該機器人進行量化訓練，可幫助病人恢復手或手指的功能重建。該機器人有三種訓練模式：主動訓練、CPM訓練、交互式訓練，可顯示主動、被動、交互訓練時的各種相關參數[6]。

圖3 Amadeo末端控制手功能康復機器人[9]

② 香港Rehab-Robotics公司Hand of Hope電機驅動外骨骼手功能康復機器人

香港理工大學研究人員研發(fā)的電機驅動外骨骼手功能康復機器人Hand of Hope，該手功能康復機器人共有5個自由度，其中每個手指都配有專門的線性微型電機獨立提供驅動力，如圖4。采用EMG信號，控制機械手上的線性微型電機，使患側實現屈曲或伸展的康復訓練。它可以促進肌肉再學習能力，鼓勵患者以EMG信號形式通過自身肌肉運動帶動患側動作。利用電機協助受損肌肉進行訓練，患者還可穿戴該機械手進行日常生活的功能運動，做簡單抓握動作。該裝置可實現四種訓練模式：CPM康復；EMG觸發(fā)運動；連續(xù)EMG驅動運動；完全獨立運動[7]。

圖4 Hand of Hope電機驅動外骨骼手功能康復機器人[10]

③ 意大利Gloreha線驅手功能康復機器人

Gloreha是意大利公司Idrogenet和布雷西亞大學(University of Brescia)的Franco Molteni博士合作研發(fā)的線驅手功能康復機器人。該手功能康復機器人每個手指背均配有一個軟指套，由一個環(huán)套來固定一根線纜，五個電機單獨驅動線纜來完成不同的精細動作，如圖5。

圖5 Gloreha線驅手功能康復機器人[11]

該手功能康復機器人可以產生獨立手指的動作，但是不能針對單個關節(jié)產生動作；同時產生的作用力不能夠對抗肌肉和關節(jié)特別僵硬的情況[8]。

4.軟體手功能康復機器人的最新進展

傳統的手功能康復機器人存在著體積大，結構復雜，功能性，安全性，舒適性不足等問題。近年來，得益于材料科學、控制、機電等學科的發(fā)展進步，軟體機器人技術飛速發(fā)展，使得具有仿生性好、安全性高、穿戴便捷等特點的柔性軟體機器人成為手功能康復機器人發(fā)展方向。

哈佛大學的Polygerinos等學者研制出一款針對手功能抓握障礙個體的輔助與家庭康復相結合的軟體手功能康復機器人手套，共有5個自由度，如圖6。該手套采用的軟體執(zhí)行器由使用纖維增強材料的成型彈性腔組成，該纖維增強材料具有誘導特定的屈曲、扭轉和流體加壓下的延伸軌跡的特性。這些軟體執(zhí)行器單獨控制單根手指運動，在加壓時輔助手指完成抓握動作，在未加壓時表現出低阻抗性[9]。

圖6 哈佛大學軟體手功能康復機器人[12]

5.軟體手功能康復機器人方案

針對目前手功能康復機器人存在的問題和缺點，中僑大學護理與康復學院聯合聯合上海交通大學、上海知名康復專家及軟體康復機器人創(chuàng)業(yè)公司，運用領先軟體機器人技術，結合最新康復理念，提出SRH軟體手功能康復機器人新方案，可滿足醫(yī)院、社區(qū)、居家全場景以及急性期、恢復期、后遺癥期全周期康復需求，如圖7。

圖7 中僑護理與康復學院手功能康復機器人方案

5.1.軟體手功能康復機器人方案性能優(yōu)勢：

SRH軟體手功能康復機器人采用創(chuàng)新結構設計，具有多方面性能優(yōu)勢，如圖8：

圖8 SRH軟體手功能康復機器人優(yōu)勢

① 訓練力度大

突破傳統軟體手功能康復機器人力度小、不能用于關節(jié)僵硬患者康復的缺點，在進行任務導向性康復時，可以輕松抓握日常生活物品；

② 訓練角度大

滿足手指關節(jié)-45～270°活動度全范圍康復；

③ 精準康復：

還應注意的是，在中國大多數村落都有源遠流長的文字使用傳統存在，這與地方社會歷史上的文教狀況有關。[注]張士閃、王加華、李海云：《禮俗傳統與中國藝術研究——中國藝術人類學前沿話題三人談之十四》，《民族藝術》2018年第6期。國家對于鄉(xiāng)村社會的滲透，不僅僅是通過科舉制度，也不限于村落家族出了多少秀才、舉人、進士或官員，還應包括村內文字的日常使用。比如年節(jié)春聯中對于“詩書繼世長”的廣泛標示，鄉(xiāng)賢對于讀書識字行為的褒獎，以及由此帶來的對文字本身的敬畏等，都會對村落生活發(fā)生潛移默化的影響。

采用5個軟體機器人驅動器獨立驅動，單指精準康復，實現對指、三指捏等精細康復動作，更好恢復手指分離運動能力；

④ 雙向驅動：

創(chuàng)新結構實現雙向驅動，滿足手指屈曲康復動作和伸展康復動作雙向康復訓練需要；

⑤ 可靠性高

高可靠性，長期使用性能不變化；百萬次長壽命設計，滿足患者整個康復周期需求；

⑥ 方便舒適

人體工學手套設計，使用方便，穿戴舒適；快速完成穿戴，減輕治療師工作量，節(jié)省時間，提高效率。

5.2.軟體手功能康復機器人方案助力全周期康復：

圖9 腦卒中康復分期

對于不同康復階段的患者，可以采用Lovett肌力分級，來評估患者肌肉力量，可將肌力分為0～5級。針對不同肌力等級的患者，SRH軟體手功能康復機器人方案設計了不同的康復訓練模式，康復模式與患者肌力分級之間關系如表2。

表2 正常成人手指活動范圍

5.3.軟體手功能康復機器人方案滿足三級康復體系需要：

SRH軟體手功能康復機器人方案設計了不同產品系列，分別滿足醫(yī)院，社區(qū)，居家康復的不同需求：

① 專業(yè)醫(yī)療版功能全面、性能強大，設計了精細被動康復、主從鏡像康復、抗阻康復、游戲康復、大屏交互、EMG主動康復、BCI運動想象、AI智能評估等功能，如圖10：

圖10 專業(yè)醫(yī)療版軟體手功能康復機器人

② 桌面康復版充分考慮社區(qū)康復需求，設計了精細被動康復、主從鏡像康復、抗阻康復、游戲康復、大屏交互、AI智能評估等功能,如圖11：

圖11 桌面康復版軟體手功能康復機器人

③ 便攜康復版本，充分考慮居家康復需求，設計了精細被動康復、主從鏡像康復、抗阻康復等功能；輕便小巧，內置電池，患者可隨身攜帶，可隨時隨地進行居家康復訓練，增加康復強度，提高康復效果，如圖12：

圖12 便攜康復版軟體手功能康復機器人

5.4.軟體手功能康復機器人方案功能設計：

SRH軟體手功能康復機器人方案設計了CPM被動手套操康復，MT主從鏡像康復，BFT生物反饋康復，ART抗阻康復等功能，滿足不同康復階段需求；同時通過高精度傳感器，記錄康復過程數據，AI人工智能評估康復狀態(tài)，為治療師康復評估、量化分析提供依據，如圖13。

圖13 軟體手功能康復機器人功能

6.未來手功能康復機器人的發(fā)展

隨著各國專家積極致力于腦卒中手功能康復的研究，軟體康復機器人的出現，很大程度上解決了傳統康復機器人的缺點。軟體康復機器人具有更好的仿生性能，消除了對非驅動自由度的限制，也減少了關節(jié)對齊問題，避免二次傷害。此外，軟機器人更輕舒適，設計更簡單，更易于攜帶，開啟了家庭康復的新時代。患者在舒適的家中進行康復訓練，降低了康復成本；同時居家康復還提高了患者的依從性，引導患者進行更積極主動的治療，增加康復時長和強度，并有望改善康復治療結果。

軟體康復機器人是材料學、仿生學、機器人學、康復醫(yī)學、生物力學、計算機科學等諸多領域的交叉學科，已經成為了未來手功能康復機器人領域的發(fā)展方向。隨著科學技術的發(fā)展和對于腦卒中康復需求越來越大，未來軟體康復機器人將會融合更多先進技術，如先進傳感器技術、人機接口技術、腦機接口技術、虛擬現實技術等，使患者能有更好的康復效果，提高患者生活質量。