步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置的減重技術(shù)研究現(xiàn)狀

陶 娟

（國家知識產(chǎn)權(quán)局 專利局 專利審查協(xié)作江蘇中心，蘇州 215000）

人體下肢可以簡化為一個四剛體模型，下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動是指髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的屈、伸，髖關(guān)節(jié)的收、展、旋內(nèi)、旋外、環(huán)轉(zhuǎn)以及膝關(guān)節(jié)的旋內(nèi)、旋外。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)可簡化為三個鉸鏈，股骨、脛骨和足骨可以分別繞著各自的鉸鏈轉(zhuǎn)動。步態(tài)康復(fù)裝置是對下肢行走障礙的患者進(jìn)行助力康復(fù)的康復(fù)設(shè)備，早期的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置的結(jié)構(gòu)和功能都比較簡單，后來逐漸發(fā)展為具有不同智能化程度的產(chǎn)品。按照結(jié)構(gòu)，步態(tài)康復(fù)器械可以分為臥式、坐式、穿戴式和減重式。

1 步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置減重技術(shù)分析研究

1.1 國外研究進(jìn)展

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置近年來發(fā)展較快，在國外發(fā)展較早，中國發(fā)展較晚。步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置源于懸吊式療法，1958年Margaret H和Margaret HSR出版了專專著《康復(fù)治療中的懸吊療法》，提出了減重訓(xùn)練的康復(fù)療法，如圖1所示，但是當(dāng)時并未得到重視。1989年，加拿大學(xué)者Visintin等將減重訓(xùn)練應(yīng)用到神經(jīng)癱瘓患者康復(fù)訓(xùn)練中，掀起了減重訓(xùn)練應(yīng)用的熱潮。

1999年，瑞士Hocoma醫(yī)療器械公司和蘇黎世Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心聯(lián)合開發(fā)名為Lokomat的康復(fù)器械[1]。Lokomat康復(fù)器械是下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人中比較具有代表性的產(chǎn)品之一，如圖2所示，其主要由減重支持系統(tǒng)、跑步系統(tǒng)和外骨骼機(jī)械腿構(gòu)成，通過減重衣減重，使得患者保持身體直立，防止傾倒；外骨骼機(jī)械腿通過可調(diào)節(jié)的固定帶與患者下肢相連，在訓(xùn)練時由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)，進(jìn)而帶動人腿在跑步機(jī)上行走，使患者下肢模擬正常步行訓(xùn)練。目前，Lokomat研發(fā)團(tuán)隊不斷改進(jìn)控制策略，其已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化。

圖1 Margaret H 懸吊療法

圖2 Lokomat機(jī)器人

德國弗朗霍費爾（Fraunhofer IPK）自動化機(jī)器人研究中心和柏林慈善醫(yī)科大學(xué)的Henning等共同開發(fā)出繩索牽引式步態(tài)康復(fù)器械Haptic Walker，其由減重裝置和姿態(tài)控制裝置組成。瑞士浩康股份公司研究了一種用于步態(tài)訓(xùn)練的設(shè)備，其重量支撐系統(tǒng)，用以使人能夠經(jīng)由臂構(gòu)造而至少局部地懸吊在上方。

美國Delaware大學(xué)在外骨骼上安裝角度傳感器、力矩傳感器和肌力傳感器，監(jiān)測下肢運(yùn)動時的關(guān)節(jié)力矩和關(guān)鍵肌肉力量。韓國PSME-N公司研究了一種步態(tài)訓(xùn)練裝置，包括跑步臺、減重框架、上身支撐結(jié)構(gòu)，通過計算機(jī)控制并分析訓(xùn)練。日本UYKO-N公司研究了電動控制的步態(tài)訓(xùn)練裝置，包括電機(jī)、滑輪組件和牽引繩，采用牽引繩帶動減重。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)，清華大學(xué)、上海大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校和一些醫(yī)療器械制造公司對步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置開展了研究。清華大學(xué)屬于研究比較早也是研究比較深入的，于 2000年 研 究 了 GRTS（Gait Rehabilitation Training Symem），GRTS由減重系統(tǒng)、外骨骼機(jī)械腿和電動跑臺組成，電驅(qū)動安裝于機(jī)械腿的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，采用關(guān)節(jié)直接驅(qū)動，從而控制髖、膝電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)實現(xiàn)步態(tài)模擬。

哈爾濱工程大學(xué)于2002年開始研究下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其設(shè)計類似于德國繩索牽引式步態(tài)康復(fù)器械Haptic Walker，由減重裝置和姿態(tài)控制裝置組成。通過一套人體站立重力平衡系統(tǒng)和計算機(jī)控制下的步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的有序動作，患者在站立情況下可以模擬正常人的步伐規(guī)律，自主地操作控制臺上的鍵盤進(jìn)行肌肉鍛煉和行走功能訓(xùn)練。

浙江大學(xué)于2007年研究了一種多體位外骨骼下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，包括機(jī)座、護(hù)欄、懸吊系統(tǒng)、外骨骼訓(xùn)練裝置和計算機(jī)控制系統(tǒng)。該機(jī)器人通過對國際通用的Brunnstrom訓(xùn)練方法進(jìn)行分析，結(jié)合對腦卒中病人癱瘓下肢的“物理療法（PT）和作業(yè)療法（OT）法，旨在滿足腦卒中病人不同階段、不同體位的康復(fù)訓(xùn)練要求。最近，浙江大學(xué)還針對懸吊減重的問題進(jìn)行了研究，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，避免懸吊減重的操作問題。

上海大學(xué)研究了懸掛式下肢康復(fù)器械，平衡器包括減重力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)、支架、電動絞車、鋼絲繩、滑輪、力傳感器、吊帶、跑步機(jī)和控制系統(tǒng)。上海理工大學(xué)還研究出了基于電刺激的氣囊減重下肢訓(xùn)練裝置，包括由底板、兩立柱和兩扶手組成的機(jī)架，機(jī)架后部連接有箱體。

其他高校和研究所，如上海交通大學(xué)、南開大學(xué)、天津大學(xué)、上海健康醫(yī)學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、四川理工學(xué)院、南京理工大學(xué)和中國科學(xué)院自動化研究所，也進(jìn)行了步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置的相關(guān)研究。

此外，醫(yī)療器械公司也加入了減重式步態(tài)康復(fù)器械的研究，常州市錢璟康復(fù)器材有限公司于2008年研究了一種手動減重步態(tài)訓(xùn)練器。蕪湖天人智能機(jī)械有限公司于2015年研究了一種可變軌跡減重康復(fù)器械，包括機(jī)架、上肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)以及下肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。廣州科安康復(fù)專用設(shè)備有限公司于2016年研發(fā)了一種單驅(qū)動仿生步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，包括醫(yī)用跑臺、減重器、機(jī)器人支撐部件、仿生步態(tài)機(jī)器人和控制系統(tǒng)。其他如國家康復(fù)輔具研究中心、南京康龍威科技實業(yè)有限公司、昆山市工業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司、廣州市三甲醫(yī)療信息產(chǎn)業(yè)有限公司、安陽市翔宇醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司、沈陽艾克申機(jī)器人技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司、杭州福祉醫(yī)療器械有限公司、廣州一康醫(yī)療設(shè)備實業(yè)有限公司、廣西盈銳智能機(jī)械有限公司以及上海璟和技創(chuàng)機(jī)器人有限公司等公司也進(jìn)行了關(guān)于步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置的研究。

2 步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置的減重技術(shù)分析

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置一般具有減重結(jié)構(gòu)、跑臺結(jié)構(gòu)和步態(tài)控制結(jié)構(gòu)。跑臺結(jié)構(gòu)一般為橢圓機(jī)結(jié)構(gòu)和跑步機(jī)結(jié)構(gòu)。減重是關(guān)系到患者使用舒適度的關(guān)鍵技術(shù)，目前現(xiàn)有的減重系統(tǒng)有以下幾種。

2.1 懸吊減重

懸吊減重，包括吊架式和牽引式。吊架式懸吊減重是最先研發(fā)也是最常見的減重方式，如專利申請?zhí)枮镴P2006138846A、KR20150173515A的吊架式懸吊減重。申請?zhí)枮镃N201610011011的吊架式懸吊減重裝置如圖3所示，減重支撐系統(tǒng)通過綁帶等部件與人體上半身相連，對康復(fù)訓(xùn)練對象進(jìn)行部分減重。再如，申請?zhí)枮镃N200910048312.9的一種基于電機(jī)控制的主動減重平臺，通過電機(jī)驅(qū)動絲杠來牽引鋼絲繩，帶動吊帶為患者或訓(xùn)練者卸去自身的重量，使得患者或訓(xùn)練者能夠在恒定減重力下進(jìn)行訓(xùn)練。牽引式懸吊減重采用牽引繩進(jìn)行減重，如申請?zhí)枮镵R20120018423A的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的牽引式減重。申請?zhí)枮镃N201310038722的牽引式懸吊減重如圖4所示，其具有電機(jī)、滑輪組件和牽引繩，采用牽引繩帶動減重。

2.2 配重式減重

以圖2中Lokomat減重步行訓(xùn)練康復(fù)器械為代表的被動配重塊減重支撐系統(tǒng)，在垂直方向高度可調(diào)。以Lokomat后續(xù)產(chǎn)品Lokolift為代表的被動彈簧減重支撐系統(tǒng)，其采用一個被動彈簧和主動閉環(huán)控制裝置，消除了配重塊的慣性沖擊，維持恒定的減重力。

2.3 氣囊式減重

申請?zhí)枮镴P2012167475A、JP2012167469A的訓(xùn)練裝置具有氣囊腔室。申請?zhí)枮镃N201510249704的氣壓減重步態(tài)監(jiān)控訓(xùn)練系統(tǒng)如圖5所示，氣囊進(jìn)口連接在支撐架后部分上，跑臺位于氣囊內(nèi)部，跑臺下面設(shè)置有壓力傳感器，用于對跑臺上的壓力進(jìn)行測量，計算機(jī)發(fā)送控制指令給充氣子系統(tǒng)和跑臺控制子系統(tǒng)，并與步態(tài)評估和步態(tài)矯正子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)指令的傳輸。再如，申請?zhí)枮镃N201410005174、CN201410005465的氣囊減重下肢訓(xùn)練裝置，其氣囊支架可沿兩立柱上下移動，氣囊的下部與底板封接并包圍步行器，如圖6所示。

圖6 氣囊式減重裝置二

圖5 氣囊式減重裝置一

圖3 吊架式懸吊減重

圖4 牽引式懸吊減重

2.4 支撐減重

申請?zhí)枮镃N201410321345的康復(fù)步行運(yùn)動器械如圖7所示，其支撐桿減重裝置包括座椅和第一支撐件，座椅與第一支撐件的近端連接，第一支撐件的遠(yuǎn)端與支撐機(jī)構(gòu)連接，第一支撐件可在支撐機(jī)構(gòu)上上下滑動；支撐機(jī)構(gòu)豎直固定在步行控制裝置的框架上；步行控制裝置包括左右分離的左履帶和右履帶，左履帶和右履帶的運(yùn)行速度可被分別控制。在進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時，該裝置減輕了患者的身體負(fù)擔(dān)，提升了康復(fù)效果。

2.5 吊帶和支撐配合減重

吊帶和支撐桿結(jié)合減重不僅可以在垂直方向上對患者進(jìn)行減重，還能夠在其他部位對患者進(jìn)行限位和減重，如申請?zhí)枮閁S201213646368A的醫(yī)療用康復(fù)器械、申請?zhí)枮镴P2004117867的安全保護(hù)步態(tài)訓(xùn)練裝置。申請?zhí)枮镃N200910048312的主動減重步行訓(xùn)練裝置，通過吊帶連接到鋼絲繩上，鋼絲繩的一端裝有絞盤，可以按照患者身高調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度，另一端連在減重機(jī)構(gòu)上，用于提供減重力，減重力的大小可以根據(jù)醫(yī)生的要求給定。申請?zhí)枮镃N201510070183的減重裝置如圖8所示，主要包括固定支撐架、減重控制臺、電動升降桿和減重吊帶。

2.6 浮力和懸吊配合減重

申請?zhí)枮镃N201510213414、CN201520271043的雙重減重步態(tài)康復(fù)水療訓(xùn)練系統(tǒng)如圖9所示，其包括固定在地面上方的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝有可沿著所述導(dǎo)軌滑動的滑塊，滑塊連有接拉繩，拉繩的另一端連接有固定患者身體的吊帶。導(dǎo)軌下方設(shè)有訓(xùn)練水池，患者在充滿水的訓(xùn)練池中進(jìn)行訓(xùn)練，水的浮力和吊帶的拉力共同減輕了患者的重力。

圖7 支撐桿減重

圖8 吊帶和支撐桿配合減重

2.7 氣動與懸吊配合減重

申請?zhí)枮镃N201010515112.2的氣動控制減重支撐系統(tǒng)，通過控制氣動控制來控制吊繩的張力恒定。申請?zhí)枮镃N200820159942的氣動減重訓(xùn)練架如圖10所示，具有龍門架與靜音空壓機(jī)。龍門架由底架、立柱及橫梁組成，在立柱中設(shè)置有伸縮氣缸。靜音空壓機(jī)的輸氣管與伸縮氣缸連接，伸縮氣缸的活塞桿頭端連接有拉繩，拉繩從立柱中穿行，途經(jīng)折角處轉(zhuǎn)向滑輪，最后從橫梁中向下引出，并在下端掛設(shè)吊梁，吊梁下掛接承重吊兜。

圖10 氣動與懸吊共同減重

圖9 浮力和懸吊共同減重

2.8 部分減重

申請?zhí)枮镃N200610012012的具有重心調(diào)整功能的部分減重支持裝置如圖11所示，其能自動地連續(xù)在線調(diào)節(jié)減重設(shè)置，適合不同的患者或同一患者的不同康復(fù)階段。重心在矢狀面和水平面內(nèi)的調(diào)節(jié)，符合正常人體步行的步態(tài)特征，為患者提供正確的步態(tài)模式。

2.9 智能減重

申請?zhí)枮镃N201410785391的下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練自適應(yīng)減重機(jī)構(gòu)，其測力傳感器用于測量康復(fù)訓(xùn)練者對踏板施加的壓力，計算機(jī)通過通信連接獲取所測數(shù)據(jù)并與預(yù)設(shè)閾值比較，根據(jù)所測壓力與預(yù)設(shè)閾值比較的結(jié)果控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動絲桿轉(zhuǎn)動，再通過配重下的螺母與絲桿的配合、配重上的通孔與導(dǎo)軌的配合，帶動配重左右移動，實現(xiàn)配重模塊重心變化，自適應(yīng)配重平衡。申請?zhí)枮镃N201611001529的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置如圖12所示，其步態(tài)模擬發(fā)生裝置安裝于康復(fù)平臺的底部并位于智能減重裝置下方，能實現(xiàn)主被動康復(fù)訓(xùn)練，用于腦癱、中風(fēng)等造成的步行障礙訓(xùn)練者的康復(fù)訓(xùn)練。

圖11 部分減重支持裝置

圖12 智能減重裝置

3 步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置目前存在的問題

隨著下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練越來越深入，人們在關(guān)節(jié)復(fù)雜訓(xùn)練、人體舒適度等方面對下肢步態(tài)康復(fù)器械提出了更高的要求。

雖然步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人訓(xùn)練的是人體的下肢腿部，但是髖關(guān)節(jié)、盆骨等也受到限制，影響訓(xùn)練的舒適度和訓(xùn)練效果。因此，需要結(jié)合髖關(guān)節(jié)、盆骨等進(jìn)行分析，以提高步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置訓(xùn)練的舒適度[2]。

目前，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置在醫(yī)院等使用并不廣泛，并且老年人出行不便。因此，需要開發(fā)遠(yuǎn)程醫(yī)療康復(fù)控制系統(tǒng)以及家庭式的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置，使得醫(yī)生在醫(yī)院提供指導(dǎo)，患者在家庭中即可自主訓(xùn)練，以提升訓(xùn)練的便捷性。

4 結(jié)語

減重式步態(tài)康復(fù)器械的研究已經(jīng)漸有規(guī)模，隨著新材料應(yīng)用越來越廣泛、傳感器技術(shù)的改進(jìn)和人機(jī)交互的改進(jìn)，未來康復(fù)器械將朝著人性化和智能化方向發(fā)展，相信未來步態(tài)康復(fù)器械可以更加舒適。