王俊華，吳珺

1.廣東省第二中醫(yī)院，廣東廣州市510095；2.廣州博愛醫(yī)院，廣東廣州市521006

隨著人口老齡化進(jìn)程加快，以及生產(chǎn)安全事故、交通事故等致殘因素的影響，腦卒中、腦外傷發(fā)生率居高不下[1-3]。肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙是腦卒中和腦外傷后的常見癥狀，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和日常生活能力，并給家庭和社會(huì)帶來沉重負(fù)擔(dān)[4-5]。

目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的肢體康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，一般分為助動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備和主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，前者為機(jī)器帶動(dòng)，如上肢機(jī)器人、機(jī)器手、步行訓(xùn)練機(jī)器人等，通常價(jià)格昂貴，且為被動(dòng)訓(xùn)練，適合肌力0～Ⅱ級(jí)的患者；后者多為家具式上肢康復(fù)設(shè)備，如磨砂板、手搖輪等，治療師與患者一對(duì)一訓(xùn)練，訓(xùn)練過程枯燥，治療師人力成本高，訓(xùn)練效率也低[6-7]。瑞士Hocoma公司的上肢康復(fù)設(shè)備ArmeoPower及其他單上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)屬于后者，技術(shù)有進(jìn)步，但在適用范圍、精準(zhǔn)康復(fù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動(dòng)反饋及四肢協(xié)調(diào)訓(xùn)練等方面都存在一些問題[8-10]。

本研究設(shè)計(jì)一種以上肢康復(fù)訓(xùn)練為主、雙下肢配合訓(xùn)練為輔的四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)有完善的虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)反饋技術(shù)和多種精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練方案。

1 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)由上肢訓(xùn)練平臺(tái)、下肢操作裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、智能評(píng)估系統(tǒng)、座椅裝置和設(shè)備底座組成(圖 1)。

圖1 運(yùn)動(dòng)反饋虛擬現(xiàn)實(shí)四肢訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 上肢訓(xùn)練平臺(tái)

上肢訓(xùn)練平臺(tái)是四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的核心構(gòu)件，主要由上肢操作裝置和支撐架組成。上肢操作裝置通過垂直擺動(dòng)關(guān)節(jié)與支撐架連接，并通過支撐架與設(shè)備底座連接。

上肢操作裝置包括水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置和鎖定結(jié)構(gòu)(電磁剎車)、垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置和鎖定結(jié)構(gòu)，以及在該2個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置上的角度傳感器(圖2、圖3)。

水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)軸和鎖定結(jié)構(gòu)在上肢操作裝置的腔體內(nèi)，表面呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤和成對(duì)設(shè)置操作手柄(圖1)；水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最大角度±105°；水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過電磁剎車實(shí)施鎖定結(jié)構(gòu)，通過磁滯控制器實(shí)現(xiàn)阻尼功能，阻尼0～0.3 N?m可調(diào)。

垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)矢狀面繞垂直擺動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)整個(gè)上肢操作裝置的上下擺動(dòng)，擺動(dòng)角度-38°～+15°；鎖定結(jié)構(gòu)是滑動(dòng)桿和旋鈕，無阻尼功能。

通過操作兩個(gè)鎖定結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)上肢操作裝置的3種工作方式，即水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和立體綜合運(yùn)動(dòng)。

圖2 上肢操作裝置結(jié)構(gòu)示意圖A

圖3 上肢操作裝置結(jié)構(gòu)示意圖B

患者使用時(shí)，一般按以下順序操作。①選擇單或雙手柄：上肢癱瘓重者選擇雙手柄操作，由健側(cè)上肢帶動(dòng)患側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)；癱瘓輕者選擇患側(cè)單手柄操作，患側(cè)上肢自主運(yùn)動(dòng)；更輕者，除選擇單手柄操作外，還可通過磁滯控制器實(shí)現(xiàn)阻尼功能，患側(cè)上肢負(fù)重水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。②選擇水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：通過鎖定垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，同時(shí)放開水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，操作手柄完成水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；因有平面支撐上肢，該運(yùn)動(dòng)容易完成，故適用上肢癱瘓較重者。③選擇垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)：通過鎖定水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，同時(shí)放開垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置的鎖定結(jié)構(gòu)，操作手柄完成垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；因該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)有一定負(fù)重，故適用上肢癱瘓稍輕者。④選擇立體綜合運(yùn)動(dòng)：同時(shí)放開水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂直擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置鎖定結(jié)構(gòu)，操作手柄完成立體綜合運(yùn)動(dòng)；這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)難度稍大，需要患者上肢有一定功能，故適用上肢癱瘓輕者。推薦的康復(fù)訓(xùn)練方案見表1。

雙手柄設(shè)計(jì)，幫助患者實(shí)現(xiàn)健側(cè)上肢帶動(dòng)患側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)，增大該設(shè)備使用范圍，一側(cè)上肢肌力0級(jí)也可使用。

表1 分級(jí)康復(fù)訓(xùn)練方案

1.2 下肢操作裝置

下肢操作裝置包括腳踏板、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承座和角度傳感器，兩腳踏板與轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定連接。腳踏板旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是矢狀面運(yùn)動(dòng)，繞其轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°～35°。

使用時(shí)選擇單或雙腳踏操作。下肢癱瘓重者，選擇雙腳踏操作，健側(cè)下肢帶動(dòng)患側(cè)下肢腳踝運(yùn)動(dòng)；癱瘓輕者選擇患側(cè)單腳踏操作。

通過雙腳踏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，幫助患者完成下肢踝關(guān)節(jié)矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)，糾正偏癱患者常見的足下垂。更重要的是，通過傳感器和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，雙腳踏運(yùn)動(dòng)可以協(xié)調(diào)配合上肢康復(fù)訓(xùn)練。

1.3 底座和座椅

底座用于固定該設(shè)備，一端為顯示屏支架，一端為固定椅座的滑道，中間固定上肢訓(xùn)練平臺(tái)的支撐架和下肢操作裝置(圖1)。

座椅由椅底座、支撐桿、訓(xùn)練椅本體組成。座椅可以前后移動(dòng)，高度通過氣壓或電動(dòng)調(diào)節(jié)，方向可以旋轉(zhuǎn)?？梢詽M足不同身高患者的需求，并方便癱瘓患者上下。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)包括顯示模塊、訓(xùn)練方案模塊與傳感器模塊。

顯示模塊由3塊顯示屏左右連為一體，通過融合技術(shù)作為一個(gè)環(huán)形寬大屏幕使用。

圖4 康復(fù)訓(xùn)練界面

虛擬訓(xùn)練方案模塊利用三維圖像生成技術(shù)[11]，構(gòu)建虛擬訓(xùn)練的場(chǎng)景。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練需要，設(shè)計(jì)虛擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、虛擬道路或路線、虛擬障礙目標(biāo)等。

傳感器模塊采用PAL58系列13位絕對(duì)式單轉(zhuǎn)型光電編碼器(長(zhǎng)春三峰光電儀器制造有限公司)，多用于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)量不超過360°的角度測(cè)量，并可直接讀取所對(duì)應(yīng)的角度值[12-14]。

患者通過操作手柄、腳踏，實(shí)現(xiàn)四肢協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；利用角度傳感器采集四肢訓(xùn)練的角度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。具體訓(xùn)練方式為患者與虛擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和場(chǎng)景的互動(dòng)，如操縱虛擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，沿著虛擬的道路或路線，碰撞或躲避障礙目標(biāo)，實(shí)施四肢功能導(dǎo)向性訓(xùn)練。讓患者置身于環(huán)形寬大屏幕前，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的視覺效果，提高沉浸感[15]。另外，通過智能算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者訓(xùn)練表現(xiàn)，并給予即時(shí)運(yùn)動(dòng)反饋。

3 精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練方案

該系統(tǒng)的訓(xùn)練方案基于患者肢體功能狀態(tài)情況而設(shè)計(jì)，由硬件和軟件組成。

康復(fù)訓(xùn)練硬件[16]見表1，提供2種操作方式(單、雙手柄選擇)和3種康復(fù)運(yùn)動(dòng)方式(平面選擇、垂直擺動(dòng)、立體綜合)，共6種康復(fù)訓(xùn)練模式。訓(xùn)練界面如圖4。

確定操作方式、訓(xùn)練模式后，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練模塊；每個(gè)模塊中，又根據(jù)虛擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度、道路或路線的彎曲度、障礙目標(biāo)數(shù)量或排放位置，分為容易、中等、較難3個(gè)級(jí)別。

綜合6種訓(xùn)練方案和3種難易級(jí)別，設(shè)備可以為癱瘓患者提供18種康復(fù)訓(xùn)練方案，滿足上肢不同癱瘓程度患者實(shí)現(xiàn)肢體精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練的需求。

4 討論

只有10%左右上肢和手癱瘓患者能恢復(fù)到具有實(shí)用功能的水平，而日常生活中60%～70%的功能動(dòng)作需要上肢幫助完成，對(duì)患者進(jìn)行上肢功能康復(fù)訓(xùn)練顯得尤為重要[17]。另外，偏癱患者還存在足下垂、四肢運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)等諸多問題。探索改善癱瘓患者上肢功能障礙和足下垂、四肢運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)的康復(fù)技術(shù)和設(shè)備，一直是康復(fù)工作者努力研發(fā)的方向。

腦卒中患者的康復(fù)應(yīng)從最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)開始，首先誘導(dǎo)是肩關(guān)節(jié)內(nèi)收，直到患者手有運(yùn)動(dòng)后，再開始其他運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練[18]。另外，偏癱患者僅進(jìn)行單側(cè)訓(xùn)練是不夠的，還需要訓(xùn)練對(duì)側(cè)，尤其應(yīng)該進(jìn)行雙手協(xié)同訓(xùn)練[19-20]。雙側(cè)對(duì)稱性動(dòng)作讓健側(cè)和患側(cè)同時(shí)參與活動(dòng)，可經(jīng)胼胝體連接激活患側(cè)腦主要?jiǎng)幼鲄^(qū)和輔助動(dòng)作區(qū)，最終左右大腦同時(shí)激活，促進(jìn)兩側(cè)肢體間協(xié)調(diào)能力提高，幫助患側(cè)手達(dá)成自主活動(dòng)的目的[21-22]；腦損傷后，損傷側(cè)半球?qū)?cè)半球的抑制作用減弱，而健側(cè)半球?qū)p傷側(cè)半球的抑制增強(qiáng)，雙上肢同時(shí)訓(xùn)練可以使半球之間的抑制正?；痆23-24]。

我們?cè)谒闹祻?fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮到盡快“啟動(dòng)”肢體運(yùn)動(dòng)和盡早達(dá)到運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)雙手柄、雙腳踏，使雙側(cè)肢體同時(shí)訓(xùn)練；提供的虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模塊屬于功能導(dǎo)向性訓(xùn)練方案。在虛擬現(xiàn)實(shí)方面，我們提供具有較高沉浸感和互動(dòng)性的技術(shù)：三屏合一的寬大視角環(huán)境；具有沉侵感的3D虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)反饋訓(xùn)練場(chǎng)景。我們還提供多達(dá)18種康復(fù)訓(xùn)練方案，實(shí)施精準(zhǔn)康復(fù)訓(xùn)練。該四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利[25]，并申請(qǐng)國(guó)際專利[26]。

四肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)將現(xiàn)有的單上肢訓(xùn)練模式進(jìn)展到四肢協(xié)調(diào)康復(fù)訓(xùn)練模式，并在虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動(dòng)反饋、精準(zhǔn)康復(fù)方面做了有益創(chuàng)新。但本系統(tǒng)只針對(duì)上肢肩肘和下肢踝關(guān)節(jié)，未涵蓋手和腿的功能訓(xùn)練。本設(shè)備在臨床上初步使用，顯示有較好的康復(fù)效果。下一步將增加手和腿部的訓(xùn)練功能，并進(jìn)一步驗(yàn)證其臨床康復(fù)效果。