于婷婷, 雷婉月, 陳志琪, 韓軼博, 任 武

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng), 453003)

骨盆是人體骨骼的支點(diǎn)，主要作用是支撐身體，在下肢康復(fù)減重訓(xùn)練中扮演著重要的角色。骨盆將力量從下肢轉(zhuǎn)移到軀干，并借助于軀干向前推進(jìn)骨盆，將人體軀干質(zhì)心(COM)置于支撐腿上，以便另一條腿進(jìn)行擺動(dòng)[1]。骨盆還可以調(diào)節(jié)軀體COM的垂直運(yùn)動(dòng)，以減少行走時(shí)的能量消耗。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能不斷發(fā)展，促進(jìn)了醫(yī)療設(shè)備的自動(dòng)化和智能化，通過(guò)骨盆減重方法設(shè)計(jì)研制的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備在臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)上具有廣闊的發(fā)展前景。智能化的骨盆減重康復(fù)設(shè)備與核磁共振技術(shù)、肌電與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，可讓截癱患者在沒(méi)有任何平衡的幫助下按照預(yù)定步態(tài)行走，進(jìn)而為截癱患者提供舒適化、高質(zhì)量的治療[2]。相比于傳統(tǒng)的康復(fù)設(shè)備，基于骨盆減重研發(fā)的新型智能設(shè)備有助于提高患者行走穩(wěn)定性和步態(tài)治療的效果，降低醫(yī)護(hù)人員工作負(fù)荷[3]。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外骨盆減重方法在康復(fù)醫(yī)療中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為我國(guó)基于骨盆減重康復(fù)設(shè)備的發(fā)展提供參考。

1 骨盆減重的研究意義

骨盆減重是指在下肢癱瘓患者康復(fù)行走過(guò)程中，對(duì)患者軀干提供部分體質(zhì)量支持以提高患者行走穩(wěn)定性和平衡性的方法[4]。骨盆減重在臨床上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)吊帶不能抵抗骨盆旋轉(zhuǎn)的缺點(diǎn)，它通過(guò)獲得患者骨盆的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]，達(dá)到有效控制患者按照正常軌跡恢復(fù)自身步態(tài)的目的。目前，我國(guó)老齡化人口約占總?cè)丝跀?shù)的13.44%，并且由腦卒中、腦中風(fēng)等疾病或關(guān)節(jié)、脊髓損傷引起的人體運(yùn)動(dòng)障礙患者也有所增加。針對(duì)老人、患者的康復(fù)問(wèn)題，一些下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)械設(shè)備相繼誕生。下肢矯形器在醫(yī)療器械設(shè)備市場(chǎng)上占很大的比重[6]，其通過(guò)力的作用來(lái)預(yù)防和矯正畸形，能夠起到一定程度的治療效果。但在長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的下肢矯形器在使用中不能抵抗患者骨盆的旋轉(zhuǎn)，從而影響患者的步態(tài)。有些矯形器自重過(guò)大束縛了患者的雙手，需要借助外人的幫助才能進(jìn)行正常康復(fù)訓(xùn)練。因此骨盆減重對(duì)患者步態(tài)的康復(fù)有重要意義。

2 國(guó)內(nèi)外骨盆減重康復(fù)設(shè)備研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

骨盆減重方法的應(yīng)用始于21世紀(jì)，目前在國(guó)外已有不少的康復(fù)設(shè)備經(jīng)過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并投入到患者的康復(fù)治療當(dāng)中。

圖1 骨盆輔助機(jī)械手(PAM)

2.1.1 骨盆輔助機(jī)械手(PAM)： 2003年，Ichinosel等[7]采用PAM的方法，設(shè)計(jì)出在跑步機(jī)上用來(lái)測(cè)量和控制患者盆腔運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人裝置(圖1)，此種方法記錄的骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練提供了很好的數(shù)據(jù)支持。

2.1.2 機(jī)器人裝置KineAssist和盆腔輔助操作器： 2005年，Peshkin等[8]針對(duì)患者康復(fù)過(guò)程中的行走問(wèn)題，以提高穩(wěn)定性和平衡性為目的，采用對(duì)患者軀干提供部分體質(zhì)量支持和姿勢(shì)轉(zhuǎn)矩的方法，研發(fā)了一種可保持患者平衡能力的機(jī)器人裝置KineAssist。同年，Aoyagi等[9]使用反饋控制算法協(xié)助主體改變他們的步長(zhǎng)和周期，進(jìn)而研發(fā)一種盆腔輔助操作器。

2.1.3 機(jī)電體重支持系統(tǒng)： 2006年，Lalonde等[10]采用被動(dòng)彈性元件和電力驅(qū)動(dòng)器提供恢復(fù)力的方法，通過(guò)可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的繩索連接患者和電力驅(qū)動(dòng)器，開(kāi)發(fā)了一種新型的機(jī)電體重支持系統(tǒng)，對(duì)提高人體步態(tài)康復(fù)的治療效果具有重要意義。2007年，針對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎患者，F(xiàn)regly等[11]采用建立成本函數(shù)的方法，在傳統(tǒng)步態(tài)運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，使膝關(guān)節(jié)內(nèi)收扭矩降到最低，從而對(duì)患者的步態(tài)變化進(jìn)行更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。2009年，新墨西哥州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)波動(dòng)的恢復(fù)力可以降低地面反作用力，基于此原理提出的骨盆支撐系統(tǒng)在步行輔助機(jī)器人中有重要的應(yīng)用[12]。

2.1.4 新型下肢矯形器WalkTrainer： 2008年，Stauffer等[13]針對(duì)截癱患者的康復(fù)問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種由腿部和骨盆矯形器組成的裝置WalkTrainer，此技術(shù)是利用機(jī)器人技術(shù)和閉環(huán)肌肉刺激對(duì)截癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，為以后康復(fù)設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2009年，WalkTrainer團(tuán)隊(duì)采用生物力學(xué)的方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬和機(jī)械設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種新型的下肢矯形器[14]，主要由輕質(zhì)外骨骼組成的人腿-機(jī)器界面和由電機(jī)及傳感器組成的機(jī)械腿兩個(gè)部分。新型的下肢矯形器在截癱患者的臨床試驗(yàn)中體現(xiàn)出了更好的步態(tài)治療效果。

2.1.5 盆腔輔助操作器： 由關(guān)節(jié)或脊髓受損造成骨盆不能正常運(yùn)動(dòng)的患者逐漸增多，骨盆矯形器、盆腔輔助操作器相繼誕生。2010年，Watanabe等[15]設(shè)計(jì)出輔助盆腔運(yùn)動(dòng)的無(wú)源裝置，首先對(duì)不同體質(zhì)量的受試者進(jìn)行建模，找到骨盆旋轉(zhuǎn)的時(shí)間軌跡，并確定設(shè)備的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行仿真。實(shí)際使用中將該裝置與患者骨盆相連接，對(duì)其施加適當(dāng)外力進(jìn)而使在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)的患者的骨盆能夠按照正常的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2.1.6 步態(tài)訓(xùn)練器： 2011年，在美國(guó)舉辦的智能機(jī)器人研討會(huì)議中，針對(duì)下肢受損患者在地面移動(dòng)平臺(tái)上的行走轉(zhuǎn)彎問(wèn)題，研制出一種步態(tài)訓(xùn)練器，其根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，提出了一種同步運(yùn)動(dòng)生成方法：即預(yù)先設(shè)定好人體盆腔的運(yùn)動(dòng)軌跡，并指定出十個(gè)點(diǎn)，從指定步長(zhǎng)和高度獲得腳踝的運(yùn)動(dòng)曲線，最終根據(jù)指定點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，測(cè)評(píng)結(jié)果表示該裝置具有有效性和平滑性[16]。2013年，Kai等[17]針對(duì)患者的站立問(wèn)題，以防止患者跌倒為目的，設(shè)計(jì)出一種利用恒力彈簧支撐患者局部體質(zhì)量的減重裝備，骨盆減重設(shè)備得到進(jìn)一步的發(fā)展。同年，哥倫比亞大學(xué)針對(duì)步態(tài)康復(fù)的骨盆運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，提出了新的控制方法來(lái)指導(dǎo)和改變橫向骨盆的運(yùn)動(dòng)[4]，其利用電纜驅(qū)動(dòng)的骨盆機(jī)器人在橫向平面上施加導(dǎo)向力，不增加骨盆的外部運(yùn)動(dòng)約束，結(jié)果表明，該策略可以糾正不同患者群體的異常骨盆軌跡，能夠引導(dǎo)和糾正骨盆的軌跡，達(dá)到節(jié)能和平衡步態(tài)的目的。

2.1.7 步行康復(fù)機(jī)器人(COWAL)： 2014年Shin等[18]通過(guò)人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)和身體測(cè)量數(shù)據(jù)，引入新的人體元特征，采用K-NN算法合成主體的個(gè)性化骨盆運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而研發(fā)出具有骨盆運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能力的步行康復(fù)機(jī)器人COWAL。同年，Otani等[19]在利用彈簧加載倒立擺模型的基礎(chǔ)上提出了SLIP2模型來(lái)改善跑步機(jī)器人。該模型由身體、腿和骨盆三部分組成，采用控制骨盆振動(dòng)、跑步速度和上身穩(wěn)定的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍和跑步。

2.1.8 恒壓推力裝置(CPFD)： 2014年，Lenzo等[20]提出了一種新的恒壓推力裝置CPFD，該裝置利用具有彈簧串聯(lián)機(jī)械手為設(shè)備提供重力平衡并保持恒定。相關(guān)實(shí)驗(yàn)采用評(píng)估外力對(duì)步態(tài)運(yùn)動(dòng)和時(shí)間影響的方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出該裝置能夠施加大致恒定的推力，影響主體的節(jié)奏以及髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并能降低步行的代謝成本。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2013年，南京大學(xué)針對(duì)跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)康復(fù)問(wèn)題，以減輕患者部分下肢支撐體質(zhì)量為目的，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，得出體質(zhì)量支撐系統(tǒng)可以補(bǔ)償任何期望的重力和慣性力量[21]，具有實(shí)際減少系統(tǒng)附著人員質(zhì)量的作用，骨盆減重設(shè)備在國(guó)內(nèi)逐漸發(fā)展開(kāi)來(lái)。同年，中國(guó)西安交通大學(xué)針對(duì)中風(fēng)或脊髓損傷后住院患者的步行康復(fù)問(wèn)題，應(yīng)用了新的下肢矯形器[4]，該設(shè)備由8個(gè)自由度的動(dòng)力外骨骼、骨盆支撐的主動(dòng)體質(zhì)量支撐系統(tǒng)、跑步機(jī)和腳踏車四個(gè)主要模塊組成。2014年，北京工業(yè)大學(xué)針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，以捕捉人體運(yùn)動(dòng)為目的，設(shè)計(jì)了一種可穿戴的系統(tǒng)裝置[22]。該系統(tǒng)由皮帶、接頭和連桿組成，利用角度編碼器、力傳感器和姿態(tài)傳感器元件直接捕捉拍攝對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡，為新型的康復(fù)設(shè)備提供了理論支持與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3 小結(jié)

骨盆減重是通過(guò)減輕患者的自身質(zhì)量，輔助患者行走，達(dá)到下肢康復(fù)的目的。骨盆減重裝置根據(jù)患者的骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行康復(fù)，不會(huì)在訓(xùn)練康復(fù)的過(guò)程中對(duì)肌肉造成痙攣。骨盆減重在臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)上具有廣泛的應(yīng)用前景，相對(duì)于傳統(tǒng)的康復(fù)手段，骨盆減重減輕了治療師和患者的負(fù)擔(dān)，最大限度提高人體步態(tài)康復(fù)治療效果。當(dāng)然，目前骨盆減重設(shè)備尚處于發(fā)展階段，其自身還存在局限性，如一些可穿戴的系統(tǒng)裝置，因患者的身材大小而無(wú)法得到有效的契合，本研究就骨盆減重設(shè)備進(jìn)一步需要探究的問(wèn)題概括如下：①檢測(cè)骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡在骨盆康復(fù)設(shè)備的研發(fā)中非常重要，但由于其參數(shù)多，肌肉活動(dòng)的階段性等因素，使骨盆的運(yùn)動(dòng)軌跡難以測(cè)量和分析，因此如何改進(jìn)測(cè)量裝置和算法，提高減重康復(fù)設(shè)備的生成軌跡與自然步態(tài)的擬合度是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。②骨盆減重具有自身的局限性，在步行輔助機(jī)器人中，恒定力的控制問(wèn)題是研究中遇到的難題。③減重訓(xùn)練至少需要2名治療師的配合，如何改進(jìn)減重康復(fù)裝置，使其達(dá)到人員配比的高效化，減少人員投入也將是將來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。④如何更好地將骨盆減重設(shè)備與核磁共振、肌電等技術(shù)相結(jié)合也是未來(lái)需要進(jìn)一步完善的方面。雖然骨盆減重方法在臨床試驗(yàn)中尚處于研究試驗(yàn)階段，還沒(méi)有大面積推出有效的康復(fù)治療設(shè)備，但隨著科技和國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的提高，在臨床康復(fù)治療中骨盆減重方法可以為提高我國(guó)相應(yīng)患者的康復(fù)質(zhì)量提供技術(shù)和設(shè)備支持。

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