手臂康復訓練機器人研究現狀

姚又琳+張秋豪

摘要： 本文基于不同的干預方式深入分析了單邊上肢康復訓練機器人和雙邊上肢康復機器人的發展現狀、結構特點和臨床試驗結果。

Abstract： Based on the different intervention ways， the development status， structural characteristics and clinical trial results of unilateral and bilateral upper limb rehabilitation robot are analyzed deeply.

關鍵詞： 腦卒中；上肢康復機器人；單邊康復訓練；雙邊康復訓練

Key words： stroke；upper limb rehabilitation robot；unilateral rehabilitation training；bilateral rehabilitation training

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0093-03

0 引言

腦中風已成為導致殘疾的首要原因之一，2015年中風人數達到120-180/10萬人，其中大約75%中風患者有明顯的后遺癥[1]。基于對神經可塑性認識不斷加深，越來越多地通過提供高度復雜的干預方式的康復訓練設備產生。本文的主要目的是介紹和比較現有的康復訓練設備對促進腦卒中患者上肢康復的影響[2]。按干預方式的不同，上肢康復機器人可以分為單側訓練模式和雙側訓練模式。

1 單邊康復訓練

單側康復訓練機器人代表性的是2DOF的MIT-Manusl[3]。MIT Manus可以給予患者被動、主動、阻尼三種訓練模式，以圖形的形式將患者的運動信息反映到電腦屏幕上。位置和力傳感器可以記錄使用中手柄所到達和經過的位置[4]，如圖1所示。 通過臨床試驗表明MIT-MANUS 可以進行康復訓練并且能夠降低運動神經的損傷程度[5]。

芝加哥康復研究所等開發了一種康復訓練器（ARM Guide，Assisted Rehabilitation and Measurement Guide）。如圖2所示，該設備有三個自由度，通過電機和磁粉制動器完成直線方向的伸手運動偏轉和提升運動。訓練中可以達到5個不同位置目標點的伸手運動。在患者訓練中，通過運動跟蹤分析和系統測量患者手臂末端軌跡，動作完成的柔順度，可以得知運動恢復的效果[6]。

清華大學研制的UECM是國內具有代表性的上肢康復訓練設備。如圖3所示，UECM是2DOF的二連桿機構，具有三種訓練模式：主動、被動以及抗阻訓練[7]。UECM能改變訓練平面的角度，在人機信息交互上，具有雙視頻反饋的系統，可以讓患者的手和眼配合訓練。

國內較早開展外骨骼式上肢康復機器人研究的單位是哈爾濱工業大學。如圖4所示，其設計的五自由度的外骨骼式上肢康復機器人系統[8]。五個自由度分別由五個伺服電機控制肩關節屈伸、向內外旋轉，肘關節的屈伸，腕部的屈伸和外伸內收動作，基于皮膚表面肌電信號實現控制，完成手臂的康復訓練。

2 雙邊康復訓練

MIME（mirror-image motion enabler）是典型的雙側上肢康復訓練機器人[9]。肩、肘關節功能的恢復是MIME系統的重點。如圖5所示，具有六自由度，MIME支持四種模式康復訓練，單側的主動訓練、被動訓練、阻抗訓練和雙手模式的鏡像訓練。

MIME系統已被應用在臨床試驗。其中一個臨床試驗是MIME系統對慢性中風患者上肢康復的影響。27位患者經過2個月的訓練后，患側近端運動能力有較大改善獨立運動能力增強。但因試驗中使用四個模式進行康復訓練，所以不能確定單側還是雙側訓練中哪個對康復貢獻更大。另外還有臨床試驗對比單側模式和單側雙側結合的模式對康復的影響，得到結論是六個月內單雙側結合模式的FMA評分更高，在六個月后兩個訓練模式的差異消失。第三個RCT研究是對比高訓練量和低訓練量對康復的影響，54位中風患者隨機分為高訓練量、低訓練量和常規訓練三組。治療后發現高訓練量組的FIM評分優于常規訓練組。在六個月后，這個差異將不再存在，但高訓練強度組在肌張力方面顯著強于低訓練強度組。但這種差異不能在訓練后立即顯現[10]。

Bi-Manu-Track是由喬治敦大學醫學中心研制的由電腦控制的雙臂訓練器[11]。如圖6所示。Bi-Manu-Track的訓練方式有兩種分別是手臂的伸縮和手腕的伸縮。為了在移動模式之間切換，設備可以傾斜90度。該設備支持三種康復訓練模式，在被動-被動模式下，機器人控制著雙臂運動。在主動-被動模式下，當機器人引導受損的上肢時，患側上肢主動移動手柄。在主動-主動模式下，兩臂通過克服最初的等距電阻來進行主動的運動。運動可以是鏡像對稱的，也可以是平行的。振幅、速度和抗性都可以單獨設置。多次的臨床試驗證明Bi-Manu-Track對中風后手臂的康復具有一定的效果。目前Bi-Manu-Track已是在德國可以購買的市售產品。

BFIAMT（bilateral force-induced isokinetic arm movement trainer）是一種雙臂等速訓練器，如圖7所示，該裝置是由2個伺服電機2個平行的導向輥2個手柄2個前臂槽，2個負載單元和一個控制面板組成的手臂康復訓練裝置[12]。BFIAMT的手柄可以向前和向后平行軌道運動，伺服電機在運動過程中提供阻力或助力，并且負載單元可以檢測推拉力量。該裝置支持四種不同的治療模式：雙邊被動、雙邊主動-被動、雙邊互惠，以及雙邊對稱運動。臨床試驗表明：接受BFIAMT康復治療的8周后患者的上肢功能評估（FMA，MAS，Frenchay手臂測試）有明顯提高，并且患者的握力，推拉力都有所提高。endprint

Virtual Reality Piano（虛擬現實鋼琴），如圖8所示，是為腦卒中患者設計的上肢訓練的虛擬環境系統。通過外骨骼的力反饋裝置，虛擬現實鋼琴可以為患者提供和真實鋼琴一樣的視覺，聽覺和觸覺感受。上肢跟蹤（帶有網絡手套）允許患者同時訓練手臂和手作為一個協調的單位。虛擬現實鋼琴包括的歌曲和音階適用于單臂或雙臂同時演奏。觸覺輔助的適應性強適用于更多的患者，同時通過算法調整任務難度匹配患者的訓練表現。

EXO-UL7。EXO-UL7是一個雙臂外骨骼機器人，每個臂具有7個自由度，如圖9所示。 七個單軸旋轉關節負責肩外展-內屈、屈伸、內外旋轉、肘關節屈伸、旋前旋后、腕關節旋轉、屈伸和放射性橈尺偏差。四個六軸力/扭矩傳感器連接到上臂、下臂、手和外骨骼的尖端，用于人機交互。與控制PC和游戲PC一起，患者可以在視頻游戲中操縱虛擬對象，同時接收觸覺反饋[13]。機器人可用于單邊和雙邊訓練。 在單側模式中，患測受到弱輔助力的支持。在雙側模式中，所需的關節角度從較少受損的上肢（主）到最受損害的上肢（從屬）鏡像對稱地傳遞。

3 結論

通過使用雙側訓練提高運動恢復已在幾個研究中證明[14]。雙邊訓練還可能提供的麻痹肢體單側手術的改進，而更不可能單方面的培訓提供雙邊利益。總體而言，雙側上肢訓練是從輕度到重度的多重程度的損傷恢復的有效方法。 基于末端執行器的雙邊訓練主要集中在近端上肢的康復，已證明可以減少住院時間和康復時間。由于上肢操作的耦合性質，雙邊訓練可以提供更全面有效的方法。研究對比單邊與雙邊訓練的益處。雖然有證據支持雙邊培訓，但迄今為止的結果并不是決定性的有利于雙邊訓練。

參考文獻：

[1]中國腦卒中康復大會[EB/OL]. http：//www.cnstroke.cn/（2013）.

[2]范海珠.周良輔：腦卒中篩查與防治指南推廣[EB/OL]. http：//www.cmt.com.cn/（2012）.

[3]Krebs HI， Ferraro M， Buerger SP， et al. Rehabilitation robotics： pilot trial of a spatial extension for MIT Manus [J]. J Neuroeng Rehabil， 2004， 1（1）： 5.

[4]Lum PS， Burgar CG， Van der Loos M， et al. MIME robotic device for upper-limb neurorehabilitation in subacute stroke subjects： A follow-up study [J]. J Rehabil Res Dev， 2006， 43（5）：631-642.

[5]Krebs H I， Dipietro L， Levy-Tzedek S， et al. A paradigm shift for rehabilitation robotics[J]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine， 2008， 27（4）： 61-70.

[6]Kahn L E， Zygman M L， Rymer W Z， et al. Robot-assisted reaching exercise promotes arm movement recovery in chronic hemiparetic stroke： A randomized controlled pilot study[J]. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation， 2006，3： No.12.

[7]陳里寧.實現多位姿訓練的上肢康復機器人平臺的研制[D].北京：清華大學，2004.

[8]Li Q L， Wang D Y， Du Z J， et al. sEMG based control for 5 DOF upper limb rehabilitation robot system[C]//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Piscataway， USA： IEEE， 2006： 1305-1310.

[9]Lum P S， Burgar C G， van der Loos M， et al. Use of the MIME robotic system to retrain multi joint reaching in poststroke hemiparesis： Why some movement patterns work better than others[C]//IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. Piscataway， USA： IEEE， 2005： 511-514.

[10]C. G. Burgar， P. S. Lum， A. M. Erika Scremin et al.， “Robot-assisted upper-limb therapy in acute rehabilitation setting following stroke： department of veterans affairs multisite clinical trial，” Journal of Rehabilitation Research and Development， vol.48， no. 4， pp. 445-458， 2011.endprint

[11]S. Hesse， G. Schulte-Tigges， M. Konrad， A. Bardeleben， and C. Werner， “Robot-assisted arm trainer for the passive and active practice of bilateral forearm and wrist movements in hemiparetic subjects，” Archives of Physical Medicine and Rehabilitation， vol. 84， no. 6， pp. 915-920， 2003.

[12]J. Chang， W. L. Tung， W. L. Wu， M. H. Huang， and F. C. Su，“Effects of robot-aided bilateral force-induced isokinetic arm training combined with conventional rehabilitation on arm motor function in patients with chronic stroke，” Archives of Physical Medicine and Rehabilitation， vol. 88， no. 10， pp. 1332-1338， 2007.

[13]H. Kim， L. Miller， I. Fedulow et al.， “Kinematic data analysis for post stroke patients following bilateral versus unilateral rehabilitation with an upper limb wearable robotic system，”IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. In press.

[14]Perez MA， Butler JE， Taylor JL. Modulation of transcallosal inhibition by bilateral activation of agonist and antagonist proximal arm muscles. J Neurophysiol 2014； 111（2）： 405-14.endprint