机器人助力脑卒中患者康复的应用前景

第一作者：李嘉文 指导作者：王金武

进入21世纪,国内老龄化问题凸显,心脑血管或神经系统疾病造成的脑卒中患者增多, 脑卒中，中医称之为“中风”，由于该病具有极高的致残率，所以相对于其他疾病患者来说，需要的日常护理和生活帮助更多，给家庭和社会带来的负担也就更为沉重。我国脑卒中发病率以每年近9%的速率上升，“我国脑卒中发病率正以每年近9%的速率上升，且死亡率数倍于欧美等发达国家和地区。”全国人大教科文卫委员会副主任、国家卫生计生委脑卒中防治工程委员会副主任王陇德院士指出，据《中国居民营养与慢性病状况报告(2015年)》显示，2012年，全国居民慢性病死亡率占总死亡人数的86.6%，其中脑血管病死亡占总死亡人数的22.45%。上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科王金武

根据世界银行的数据推算，假如不采取更有效措施，到2030年，中国将有3177万名脑卒中患者，防控形势将非常严峻。据国家卫生计生委医政医改局副局长郭燕红介绍，《世界卒中宣言》中明确提出“卒中完全可以预防”。只要完善健康宣教体系，提高国民对该病的知晓率，改变不良生活习惯，及早筛查危险因素并加以针对性控制等，就能显著降低脑卒中的危害。为遏制其高发态势，我国政府于2011年启动了“脑卒中筛查与防治工程”，并积极推动建立以基地医院为防治技术中心的脑卒中防治网络体系。此外，“心脑健康中国行医疗服务团”正式成立，以上资料和数据表明，脑血管病已成为我国严重的社会发展和公共卫生问题。国家关于脑卒中的预防和治疗方面越来越重视。意外造成的老年人肢体损伤人数也在逐年增多，同时据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。

随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。

目前世界上肢功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。

目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高大多数手功能康复设备没有拇指的参与感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。

上肢康复机器人应用于患者的上肢运动功能康复，他包括柔顺舒适、可穿戴的上肢功能康复机器人，辅助患者完成肩、肘、腕部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。传统人工康复训练,治疗师劳动强度大、训练强度,持续性难以保证。康复训练机器人有助康复训练定量化、长效化、规范化,有助于患者损伤大脑神经功能重组,提供运动效果及时反馈和量化的康复评价体系,具有广阔的产业化前景。

康复机器人的研究开始于20世纪六、七十年代西方国家。美国、英国、加拿大和日本等国在这方面处于领先,我国起步比较晚,正处于初步发展阶段。

康复训练机器人是目前研究的热点方向之一，近些年来，国内外的一些偏瘫康复研究机构相继推出了一系列的偏瘫康复训练机器人，辅助脑卒中偏瘫患者进行字体康复训练。

1995年开始，美国MIT的Hogan等研制了名为MIT-MANUS的上肢康复机器人，该机器人以电机驱动，实现了末端牵引式的上肢康复训练。其中包括：通过重力补偿和机械牵引，支撑上肢在水平面上的平移运动，辅助患者肩肘关节的复合运动训练；通过手腕处的三个运动自由度，辅助患者的腕关节活动；通过抓紧功能，辅助实现手部功能。受康复机器人的限制，患者上肢在平面中完成目标任务，运动方式受限，软件提供的信息也就相对集中在平面数据上。

1995年美国麻省理工学院的Hogan和Krebs等人研制的一种称作MIT-MANUS的脑神经辅助康复机器人并应用于临床。

2000 年，美国加州大学与芝加哥康复研究所研制了可实现上肢运动的 3-DOF 康复机器人 ARM Guide（assisted rehabilitation and measurement guide），
具有一个主动 DOF．通过电机驱动直线导轨来带动大臂实现曲伸等运动2004年美国西北大学研制了一种结合虚拟现实技术的机器人辅助康复系统，通过程序，将训练中的患者所做的运动轨迹与要求轨迹之间的误差放大地显现出来，以此来加强患者运动功能学习和康复的效果。

日本的大阪大学也曾研发了 3-DOF 的 EMUL康复机器人，由 ER（电流变液）制动器来改变康复阻力大小， 6-DOF 的 Robotherapist 末端牵引式上肢康复机器人系统是在 EMUL 基础上增加3-DOF 的腕关节康复模块形成的。后又开发基于平面 2-DOF 五连杆机构的无独立驱动的 PLEMO-1 康复机器人系统，靠关节的制动扭簧来驱动，靠 ER 制动器来改变训练阻力（，结构更安全，以上系统均实现与 VR 技术的结合。

国内上肢康复机器人研究起步较晚，部分国内高校及科研机构对下肢康复机器人也进行了研究。北京航空航天大学利用绳索牵引原理研制了具有多自由度的拟人臂机器人。

哈尔滨工程大学开发了一种上肢康复训练机器人如下图，他可以通过模拟正常人上肢的运动轨迹来对患者进行训练。

清华大学精密仪器系康复工程研究中心正在研究上肢康复机器人。采用二连杆机构，构建平面动力场模型来实现机器人控制，华中科技大学研制了一种上肢肘关节康复机器人，采用气动人工肌肉来实现动力功能，具有便携、轻便的优势。

哈尔滨工程大学研制的上肢康复机器人

上海交通大学康复工程研究所研制的7-DOF上肢康复机器人具有结合VR虚拟现实捕捉人体运动信息的功能，提供专家全面的患者康复信息供临床医生分析，实现医工结合的诊疗方式，提供给患者更加个性化和更加有效的康复治疗。

目前上肢康复机器人的国内研究还处于起步阶段，存在的问题也是显而易见的，比如缺乏符合人体生理结构的外形设计，同时由于根据早年研发康复机器人的陈旧理念，并没有结合生物融合性和现代控制理论等一些新技术，跟国外相比还有一定的差距，而临床应用更是寥寥无几 ，各医院康复科以及各康复机构大多还是以最基本的治疗师一对一的辅助训练和单一的康复器械训练为主 ，这种方式效率低，效果不显著，并且由于简单枯燥，无法提高患者参与的积极性，患者主动参与程度低，康复效果较差。