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1、第十七章机器人辅助康复治疗,姓名：张艳明单位：首都医科大学宣武医院,第一节：概述,第二节：上肢康复机器人辅助训练,第三节：下肢康复机器人辅助训练,康复机器人的分类及优势,康复机器人的操作流程及注意事项,康复机器人的发展趋势及设计特征康复训练要素、适应证及禁忌证,掌 握：,熟 悉：,了 解：,第一节概 述,第一节 概述,一、康复机器人的概念,1. 定义 2. 分类3. 康复机器人的优势4. 发展趋势5. 医学理论依据,第一节 概述,1.定义,医疗机器人的一个重要分支利用智能化、自动化技术和器械辅助病人进行康复治疗、护理和日常生活的高科技产品涉及到康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料
2、学、计算机科学以及机器人学成为国际机器人领域的研究热点之一,2.分类,治疗型康复机器人,辅助型康复机器人,外骨骼康复机器人操作型康复机器人,主要用来辅助病人进行各种日常活动，如机器人轮椅、机器人步行器、导盲手杖、智能假肢、护理机器人等,可以辅助病人进行各种运动功能障碍的康复训练,第一节 概述,3.康复机器人的优势,降低老年人跌倒的比例帮助偏瘫病人树立重新行走的信心提高老年人独立生活的质量减轻社会负担具有重要的研究意义,评测与训练相结合实时主动参与多种运动模式组合,第一节 概述,4.发展趋势,加强病人与机器人的互动性增加游戏环节，提高病人的兴趣，提高康复效率提高机器人的适应性和灵活性与智能设备结
3、合,第一节 概述,5.医学理论依据,中枢神经系统具有高度的可塑性通过功能重组和功能重建获得神经的可塑性包括轴突和树突发芽、神经细胞生成、突触数量增多、突触结构参数变化、支配区转移和形成新的神经通路,第一节 概述,二、康复机器人的设计特征,1.外骨骼和末端效应器2.传感器3.自由度,第一节 概述,1.外骨骼和末端效应器,外骨骼装置可以计算关节的运动学参数，但需根据病人具体肢体长度来调节机械装置长度存在多关节内在的传输消耗末端效应器设计通过末端装置带动肢体运动关节活动范围超过60时，应选择外骨骼设计关节活动范围低于60时，应选择末端效应器设计微弱肌力的病人较容易操纵末端效应器机器人外骨骼和末端效应
4、器两种装置可以相容于一种机器人中,第一节 概述,2.传感器,传感器是实现自动控制的首要环节信息的采集与转换主要依赖于各类传感器信息转化为机电信号机电信号反馈给软件控制系统计算机传给驱动装置驱动外骨骼产生特定的动作利用信息融合将能够获得较准确的环境特征,第一节 概述,3.自由度,上肢康复机器人水平前后运动左右运动垂直上下运动Lokomat下肢康复机器人髋、膝矢状轴四个自由度,第一节 概述,第二节上肢康复机器人辅助训练,一、概述,1.定义2.发展历程3.设计要求,第二节 上肢康复机器人辅助训练,1.定义,将智能控制与肢体运动用机器人系统完美的结合帮助病人完成各种康复运动具备传统康复治疗方法无法比拟
5、的优点替代康复治疗师完成高强度、高密集度的重复性体力劳动弥补我国康复治疗师人员不足的现状保证每位病人得到客观、合理的治疗施加更精确的驱动力矩治疗数据和运动参数及训练次数详实记录,第二节 上肢康复机器人辅助训练,2.发展历程,MIT-MANUS训练系统MIME（mirro-image motion enabler, MIME）手-物体-手系统（hand-object-hand system）ARM-Guide（assisted rehabilitation and measurement guide）机器人ARMin康复机器人ReoGo上肢机器人 国内发展状况,第二节 上肢康复机器人辅助训练,3
6、.设计要求,心理方面要求低音、小巧轻便、外观友好、给人以安全感，让治疗师和病人都能接受医疗方面在关节活动范围、自由度等方面提出要求人类环境改造学方面要求装置能适应复杂的医疗工作环境，如设计时要考虑是否和病人轮椅、支具以及周围环境相容等,第二节 上肢康复机器人辅助训练,二、训练要素,1.训练目标2.训练方法3.反馈与评价,第二节 上肢康复机器人辅助训练,改善上肢活动的协调性改善痉挛和疼痛、减轻上肢的残疾程度改善早期和亚急性期偏瘫病人的神经功能促进偏瘫病人的主动运动功能恢复,1.训练目标,第二节 上肢康复机器人辅助训练,运动模式分期训练关节组合模式,2.训练方法,第二节 上肢康复机器人辅助训练,运
7、动模式,被动运动助动运动主动运动自由运动抗阻运动扰力运动,第二节 上肢康复机器人辅助训练,康复治疗需针对病人的具体情况制订训练方案不同时期需要采用不同的康复方法进行渐进式治疗急性期，重点是预防关节挛缩及提供适宜感觉刺激亚急性期，诱导关节的分离运动和抑制异常的运动模式慢性期，机器人辅助的任务特异性主动运动,分期训练,第二节 上肢康复机器人辅助训练,上肢的肩、肘、前臂、腕，甚至手指关节进行被动运动及助力运动肩、肘协调直线移动运动和平面环转运动肩内旋/外旋运动，抗重力的肩关节垂直方向运动腕关节的屈伸/桡尺偏运动前臂的旋前/旋后运动手部的抓握/释放运动涉及上肢的单关节运动，或为数个关节运动的组合动作辅
8、以简单的日常生活动作的训练,关节组合模式,第二节 上肢康复机器人辅助训练,3.反馈与评价,传感器反馈 评价动作的幅度、速度和力肌电图反馈 反映原动肌、拮抗肌和协同肌运动状态视觉反馈 运动再学习是神经康复的基础理论, 及时纠正,第二节 上肢康复机器人辅助训练,三、上肢康复机器人联合其他技术,1.功能性电刺激辅助上肢康复机器人 2.基于表面肌电信号的上肢康复训练机器人3.基于虚拟现实技术的上肢康复机器人 4.基于脑-机接口上肢康复训练机器人,第二节 上肢康复机器人辅助训练,1.功能性电刺激辅助上肢康复机器人,通过低频脉冲电流刺激功能障碍的肢体通过高级神经中枢的调整，促进功能重建预先设定的刺激方法来
9、刺激肌肉基于病人意愿的手臂轨迹跟踪训练交互学习提高上肢的康复训练效果,第二节 上肢康复机器人辅助训练,2.基于表面肌电信号的上肢康复训练机器人,神经肌肉运动产生的电信号引入康复机器人系统转化为机器人运动控制指令，驱动机器人执行相应的动作带动偏瘫侧上肢进行康复训练，激发病人的运动积极性利用健侧sEMG驱动康复机器人辅助病人的患侧上肢执行康复训练保持正确运动的感觉，激发病人的运动积极性,第二节 上肢康复机器人辅助训练,3.基于虚拟现实技术的上肢康复机器人,鼓励病人进行康复训练，提高康复训练的效果与现实生活相似或陌生的虚拟之中，通过模拟某些日常生活的场景，使病人在游戏过程中，配合机器人进行康复训练引
10、导病人完成特定的动作任务，提高了康复训练的能动性实现人机交互提供三维立体空间中沿任意轨迹的康复训练提供多种方式的训练，训练模式多样化,第二节 上肢康复机器人辅助训练,4.基于脑-机接口上肢康复训练机器人,从大脑获取与外界通信信息的全新人机接口方式直接连接大脑和外部环境通过主动意图识别、帮助病人进行主动康复训练设定的不同模式进行康复训练利用虚拟现实技术进行视觉反馈,第二节 上肢康复机器人辅助训练,第三节下肢康复机器人辅助训练,一、概述,1.定义2.发展现状3.分类,第三节 下肢康复机器人辅助训练,1.定义,辅助下肢运动功能障碍病人进行康复训练提供反馈信息的辅助康复治疗自动化设备定量地为病人提供客
11、观有效的训练方式记录详实的治疗数据反馈信息及康复评定参数改善康复效果、提高康复效率,第三节 下肢康复机器人辅助训练,2.发展现状,国外研究现状 Lokomat下肢康复机器人，由下肢外骨骼、减重支撑系统和皮带运动台组成，运用减压平板治疗法，使病人的步态与正常行走步态逐渐匹配MGT康复机器人，模拟正常人步态进行运动，根据不同病人提供重力补偿，控制病人的重心Haptic Walker下肢康复机器人，增强了计算机控制，可以产生多种运动轨迹，可以进行速度、强度的调节HAL-3智能混合助力腿，采用外骨骼的概念，加载人工智能控制系统，利用肌电信号对机器人进行控制,第三节 下肢康复机器人辅助训练,国内研究现状
12、 Flesbot康复机器人，提供标准步态训练，调节行走模式哈尔滨工程大学研究的下肢康复机器人，步态规划和仿真，运动学分析中国科学技术大学研究可穿戴下肢助力机器人的动力学模型和控制系统，对人体下肢结构进行分析和建模并设计出符合人体结构的器械模型上海交通大学研究下肢助力机器人，设计机器人的各个机械关节运动自由度均与所对应的人体关节自由度同轴,第三节 下肢康复机器人辅助训练,坐卧式下肢康复机器人 通过坐立或躺卧的体位以实现下肢康复训练，分为末端式下肢康复机器人、外骨骼式下肢康复机器人，病人能够坐立、斜躺或平躺的姿势都可以进行康复训练,3.分类,第三节 下肢康复机器人辅助训练,直立式下肢康复机器人 接
13、近于日常生活中的下肢活动方式，包括悬吊减重式康复训练机器人和独立穿戴式的机器人。典型结构主要包括下肢外骨骼与医用跑台协调带动训练、控制脚踏板来带动整个下肢运动、基于病人下肢肌电信号比例控制的下肢外骨骼康复训练机器人,第三节 下肢康复机器人辅助训练,辅助起立式下肢康复机器人 起立和坐下的过程中发挥辅助作用和主动提供平衡支持，对病人下肢起立和坐下的活动功能具有训练作用,多体位式下肢康复机器人 具有综合性特征的下肢康复机器人，提供不同体位的康复训练，集中坐卧式下肢康复机器人和直立式下肢康复机器人的优势,第三节 下肢康复机器人辅助训练,二、训练要素,1.训练目标2.训练因素,第三节 下肢康复机器人辅助
14、训练,1.训练目标,重新获得独立的步行能力提高步行速度改善步态质量确保有效康复的关键,第三节 下肢康复机器人辅助训练,2.训练因素,训练强度任务导向性主动参与运动协调性训练反馈 注意避免异常步态,第三节 下肢康复机器人辅助训练,1.外骨骼式矫正器2.减重支持系统3.运动跑台 4.注意事项,三、下肢机器人辅助训练系统,第三节 下肢康复机器人辅助训练,1.外骨骼式矫正器,下肢康复机器人训练系统的核心部分固定带固定到矫正器上足部升降带固定病人的踝关节并使其处于中立位置髋关节和膝关节由计算机控制有相应的位置和力量感受器实行动态观察和严密检测,第三节 下肢康复机器人辅助训练,2.减重支持系统,由固定支架
15、、减重机构和控制系统组成，训练过程中，减重支持系统通过电力驱动，悬吊病人胸部绑带支撑部分体重，身体被悬吊的重量可从升降杆上的显示板上读出，固定支架主要提供支撑和稳定,第三节 下肢康复机器人辅助训练,悬吊带减重,运动治疗循序渐进原则的具体体现较多减重较少减重完全承重渐进训练静态减重病人的重心被一个稳定的作用力支撑动态减重病人的重心被一个正弦波样变化的作用力支撑对称减重和非对称减重静态和动态条件下都可以使用非对称减重,第三节 下肢康复机器人辅助训练,固定方法,悬吊带要固定于胸廓下部按病人的实际需求进行减重调节最大减重量不超过体重的1/3悬吊带放置完毕后要仔细检查跑台两侧的支撑杆调节到骨盆高度重心固
16、定于悬吊带力点的下方肢体与吊索之间放置垫子或内衬,第三节 下肢康复机器人辅助训练,3.运动跑台,下肢康复机器人训练系统的重要组成部分，主要作用是与外骨骼式矫正器协调随动，为病人提供正常生理模式的步行步态训练，可为病人提供部分体重支持，治疗师可根据病人的功能情况随时调整运动跑台速度，并可通过计算机屏幕观察病人的运动表现,第三节 下肢康复机器人辅助训练,基于训练刺激了中枢模式发生器使用特定的序列来交替刺激控制站立和摆动的肌肉，来进行步行运动。存在于脑干和脊髓，被跑台训练所兴奋和激活对于脊髓中枢模式发生器，最重要的传入是发生在支撑相终末期的髋关节伸展运动时传入，和支撑相时来自足底的压力。,训练机制,
17、第三节 下肢康复机器人辅助训练,适用人群,步行功能分级2级脑卒中、颅脑外伤、脊髓损伤、脑瘫、帕金森病和多发性硬化具有保持坐位平衡的能力保持10min垂直姿势的条件下，不发生血压降低的现象具有基本的交流沟通能力下肢没有不稳定性骨折或严重的骨质疏松在安装悬吊带的部位没有压疮或开放性创伤,第三节 下肢康复机器人辅助训练,是否有运动治疗禁忌，以及是否满足跑台行走条件低速开始，指导病人适应设备突发安全状况时，可使用跑台紧急制动要求病人目光平视，对着镜子调整身体姿势在支撑相末期时完全伸展髋关节控制好训练强度,4.注意事项,第三节 下肢康复机器人辅助训练,康复机器人已经广泛地应用到康复护理、康复治疗和假肢等方面，机器人辅助设备可以极大的降低治疗师的工作量，促进病人的主动参与，控制系统可施加更精确的驱动力矩，对治疗数据和运动参数及训练次数详实记录，便于治疗师根据数据，做出客观评价，及时调整治疗方案，有利于提高病人的康复效果,
