徐奚嬌，徐秀林

腦卒中俗稱中風(fēng)，是一種突然起病的腦血液循環(huán)障礙性疾病，具有高發(fā)病率、高致殘率等特點(diǎn)。我國(guó)第三次國(guó)民死因調(diào)查結(jié)果表明，腦卒中已經(jīng)升為中國(guó)第一位死因[1]。近二十年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，腦卒中年死亡人數(shù)逾200萬(wàn)?，F(xiàn)幸存腦卒中患者700萬(wàn)，其中450萬(wàn)患者不同程度喪失勞動(dòng)力和生活不能自理，致殘率高達(dá)75%[2]。目前，對(duì)于腦卒中的治療，醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)定的方法是在前期加以手術(shù)和藥物治療，而后期即恢復(fù)期則進(jìn)行適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練，以恢復(fù)其運(yùn)動(dòng)功能?，F(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐證明，康復(fù)訓(xùn)練可以提高患者運(yùn)動(dòng)功能，幫助患者實(shí)現(xiàn)生活自理[3]。

氣動(dòng)技術(shù)是氣壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的結(jié)合。它以壓縮空氣為動(dòng)力源，帶動(dòng)機(jī)械部件完成移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，進(jìn)行能量或信號(hào)的傳遞。氣動(dòng)技術(shù)具有高速高效、清潔安全、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。近幾年，氣動(dòng)技術(shù)越來越向便攜化、精密化、智能化、節(jié)能化方面發(fā)展[4]。氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用最典型的代表是機(jī)器人，其模仿人類的手腕、手臂以及手指，能正確迅速地完成做抓取或放開等細(xì)微動(dòng)作[5]。

氣動(dòng)技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用愈見成熟，如國(guó)內(nèi)外牙科綜合治療臺(tái)運(yùn)用氣壓傳動(dòng)作為其主要工作動(dòng)力[6]；呼吸機(jī)、麻醉機(jī)、微創(chuàng)器械[7]等都運(yùn)用了氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)。一些康復(fù)器械需要運(yùn)用驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比較，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)在安全性、柔順性、輕巧性等方面都有優(yōu)勢(shì)[8]。以下介紹氣動(dòng)技術(shù)在腦卒中康復(fù)器械中應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 氣動(dòng)人工肌肉

肌肉力弱是腦卒中患者常見的癥狀，嚴(yán)重影響患者的運(yùn)動(dòng)功能。研究表明，強(qiáng)化肌肉訓(xùn)練對(duì)腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)有積極作用[9]；對(duì)于腦卒中力弱患者需進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐u進(jìn)式抗阻訓(xùn)練。氣動(dòng)人工肌肉是目前比較理想的仿生肌肉，它通過調(diào)節(jié)其內(nèi)部的氣壓來控制肌肉的收縮。氣動(dòng)肌肉有輸出力大、使用簡(jiǎn)單、可彎曲、柔性好、安全等優(yōu)點(diǎn)[10]，能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)所不能實(shí)現(xiàn)的彎曲變形等運(yùn)動(dòng)形式。

氣動(dòng)人工肌肉的種類繁多，但其基本原理都是由氣壓控制的可收縮性驅(qū)動(dòng)器[11]。應(yīng)用氣動(dòng)肌肉的康復(fù)裝置種類豐富，如仿生臂、機(jī)械手、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)等。最常見的是仿生機(jī)器人手臂。日本岡山大學(xué)研制一款新型的柔性氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器，可應(yīng)用于機(jī)器人的手臂或其他康復(fù)器械等。該機(jī)械仿真手臂通過對(duì)氣動(dòng)肌肉的控制，帶動(dòng)人的手臂實(shí)現(xiàn)等速運(yùn)動(dòng)。機(jī)械仿真手臂具有3個(gè)自由度，其中兩個(gè)彎曲自由度及一個(gè)伸展-收縮自由度。機(jī)器人手臂用于康復(fù)治療分為兩種使用方法：主動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)和被動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，這款機(jī)器人手臂通過嵌入式控制器能實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)的控制方法[12-14]。

2 氣動(dòng)康復(fù)手套

越遠(yuǎn)端的肢體部分，康復(fù)越困難，腦卒中患者手指功能恢復(fù)最難。為了使患者能夠恢復(fù)基本的手功能，達(dá)到生活自理的水平，需要穿戴康復(fù)手套對(duì)手指反復(fù)進(jìn)行彎曲、伸張、握取等動(dòng)作訓(xùn)練[15]?？祻?fù)手套按照驅(qū)動(dòng)形式分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩大類。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的康復(fù)手套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、安全性能差，因而康復(fù)手套多用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

目前，最先進(jìn)的手部康復(fù)運(yùn)動(dòng)是在一個(gè)新穎的虛擬環(huán)境中，結(jié)合氣動(dòng)設(shè)備進(jìn)行手指康復(fù)訓(xùn)練。美國(guó)Illinois大學(xué)Lauri設(shè)計(jì)的氣動(dòng)手套，利用空氣壓力促使手指伸展收縮[16]。它由在手掌一側(cè)的定制氣囊及手背一側(cè)的萊卡面料組成，萊卡面料上有一個(gè)拉鏈開口，方便穿上和脫下手套。氣囊由聚氨酯材料合成，有5個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)手指。在每個(gè)通道內(nèi)，空氣壓力產(chǎn)生一個(gè)伸展的力，幫助五指伸展，而且每個(gè)通道的氣路都是相對(duì)獨(dú)立的，它們各自連接一個(gè)氣動(dòng)數(shù)字伺服閥，伺服閥提供的空氣壓力介于0～10 psi(1 psi=6.895 kPa)。由程序?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)控制氣動(dòng)手套工作。在虛擬環(huán)境中，患者使用氣動(dòng)手套進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，不僅可以進(jìn)行手指伸展和彎曲等動(dòng)作的康復(fù)訓(xùn)練，還可以感受到虛擬環(huán)境提供的觸覺反饋[17]。

3 氣動(dòng)上肢康復(fù)裝置

腦卒中導(dǎo)致上肢運(yùn)動(dòng)功能受限，嚴(yán)重影響日常生活。上肢的康復(fù)訓(xùn)練裝置主要幫助患者進(jìn)行伸展、彎曲、舉起等動(dòng)作訓(xùn)練[18]。

目前氣動(dòng)上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的發(fā)展趨勢(shì)是設(shè)計(jì)便攜式、性價(jià)比高、柔順性好的外骨骼可穿戴的上肢康復(fù)手臂，采用此器械進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，患者手臂運(yùn)動(dòng)更加靈活一些，可實(shí)現(xiàn)更大的運(yùn)動(dòng)范圍。這些上肢康復(fù)裝置與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練[19]，能使患者主動(dòng)積極訓(xùn)練。美國(guó)特蘭西瓦尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型柔性上肢康復(fù)裝置，采用氣缸與氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器復(fù)合驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多功能治療肩、肘、手關(guān)節(jié)康復(fù)；通過和上位機(jī)串口通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬環(huán)境下的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。被動(dòng)訓(xùn)練過程中，在自由訓(xùn)練階段使用氣缸驅(qū)動(dòng)，以相對(duì)較快的速度驅(qū)使上肢運(yùn)動(dòng)至極限活動(dòng)位置；在拉伸訓(xùn)練階段選用氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器，使得上肢訓(xùn)練過程平穩(wěn)且柔順。這種氣動(dòng)方式可使驅(qū)動(dòng)器與阻尼器合二為一，能極方便地實(shí)現(xiàn)患肢從被動(dòng)到半被動(dòng)，再到主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練過程[20]。

4 氣動(dòng)下肢助力康復(fù)裝置

腦卒中患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。器械輔助治療偏癱最有效方法是肢體的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。在康復(fù)初期，患者無(wú)法站立行走，多選用減重床進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練。在康復(fù)后期，患者能夠站立可進(jìn)行行走訓(xùn)練時(shí)，選用下肢助力機(jī)械裝置進(jìn)行抬腿邁步行走等動(dòng)作訓(xùn)練[21]。

如今已有多種可穿戴式下肢外骨骼康復(fù)裝置研制出來，這些器械采用的驅(qū)動(dòng)方式主要為伺服電機(jī)、液壓傳動(dòng)等。但是，下肢外骨骼康復(fù)設(shè)備存在著適用性不廣泛，需要考慮其尺寸、所能承受的應(yīng)力等，這些問題都限制患者的康復(fù)訓(xùn)練[22]。日本岡山大學(xué)自然科學(xué)和技術(shù)學(xué)院的Sasaki研制了一款可穿戴式下肢助力康復(fù)器械，此器械可彌補(bǔ)下肢外骨骼康復(fù)設(shè)備的缺點(diǎn)。此裝置形似一條普通褲子，由尼龍綁帶將具有柔順性能的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器固定在膝蓋部位。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)4個(gè)氣囊袋，囊內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生一個(gè)沿尼龍綁帶反向的力及膝關(guān)節(jié)處的一個(gè)軸向力。褲子的下端固定在鞋跟，將軸向力轉(zhuǎn)換成幫助下肢彎曲的扭矩。在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的氣囊內(nèi)分別充入0、30、50 kpa恒壓，就能輔助患者進(jìn)行下蹲、站起、邁步、上下樓梯等康復(fù)運(yùn)動(dòng)[23]。

5 氣動(dòng)減重步行訓(xùn)練器

腦卒中患者進(jìn)行一定時(shí)間的功能康復(fù)后，可進(jìn)行步態(tài)行走能力訓(xùn)練。減重步行訓(xùn)練是近幾年來治療腦卒中偏癱步態(tài)的一種新方法[24]。訓(xùn)練治療通過支持一部分體重，減輕下肢負(fù)重，使患肢實(shí)現(xiàn)重復(fù)練習(xí)完整的步行周期，延長(zhǎng)患側(cè)下肢支撐期，也增加訓(xùn)練的安全性。

氣動(dòng)減重步行裝置常見的是懸吊式氣動(dòng)減重步行器?；颊呒绮坑山墡Ч潭?，并由平行連桿機(jī)構(gòu)提拉，提拉的動(dòng)力由氣彈簧配合氣缸驅(qū)動(dòng)。該氣動(dòng)減重步行器配有下肢矯形器，幫助患者進(jìn)行步態(tài)的重塑[25]。然而，由于懸吊式減重力的支撐點(diǎn)與人體重心不重合，會(huì)產(chǎn)生力矩影響患者的舒適度。

為了克服上述懸吊式減重缺陷，讓患者在舒適安全的減重環(huán)境下進(jìn)行訓(xùn)練，美國(guó)AlterG公司設(shè)計(jì)研發(fā)出反重力步行器。它使患者腰部以下處于氣囊中，通過增加氣囊內(nèi)空氣壓力來提升患者，減重量最大可達(dá)到體重的80%?；颊咴谠摐p重步行器上進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)無(wú)任何不舒服感，步行的感受就如同在太空漫步一樣。該反重力步行器采用了差壓氣動(dòng)技術(shù)，由氣泵造壓并控制氣壓變化，使囊內(nèi)氣壓能夠平穩(wěn)地舉起患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[26-27]。

6 總結(jié)與展望

從國(guó)內(nèi)外康復(fù)器械研究狀況看到，氣動(dòng)技術(shù)由于其在安全性、柔順性、高精度等方面的優(yōu)勢(shì)，在腦卒中康復(fù)醫(yī)療中應(yīng)用廣泛。許多研究者開發(fā)出多種新型氣動(dòng)元件，并與智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)相結(jié)合，用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域中。

在我國(guó)，康復(fù)醫(yī)學(xué)工程還處于初期階段，氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)運(yùn)動(dòng)器械的研發(fā)工作才剛起步，與國(guó)外相比有一定的差距。未來氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療發(fā)展趨勢(shì)有如下幾個(gè)方面：①開發(fā)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與電設(shè)備一體化的機(jī)電氣一體化康復(fù)設(shè)備，并向智能化方向發(fā)展；②研發(fā)基于氣壓原理應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療的新型驅(qū)動(dòng)器，提高其驅(qū)動(dòng)速度、可靠性等方面特性；③拓展氣動(dòng)技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程系統(tǒng)及虛擬技術(shù)。

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