气动技术在脑卒中康复中的应用

徐奚娇，徐秀林

脑卒中俗称中风，是一种突然起病的脑血液循环障碍性疾病，具有高发病率、高致残率等特点。我国第三次国民死因调查结果表明，脑卒中已经升为中国第一位死因[1]。近二十年监测结果显示，脑卒中年死亡人数逾200万。现幸存脑卒中患者700万，其中450万患者不同程度丧失劳动力和生活不能自理，致残率高达75%[2]。目前，对于脑卒中的治疗，医学界普遍认定的方法是在前期加以手术和药物治疗，而后期即恢复期则进行适当的康复训练，以恢复其运动功能。现代康复医学理论和实践证明，康复训练可以提高患者运动功能，帮助患者实现生活自理[3]。

气动技术是气压传动与控制技术的结合。它以压缩空气为动力源，带动机械部件完成移动或旋转动作，进行能量或信号的传递。气动技术具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点。近几年，气动技术越来越向便携化、精密化、智能化、节能化方面发展[4]。气动技术应用最典型的代表是机器人，其模仿人类的手腕、手臂以及手指，能正确迅速地完成做抓取或放开等细微动作[5]。

气动技术在医疗行业中的应用愈见成熟，如国内外牙科综合治疗台运用气压传动作为其主要工作动力[6]；呼吸机、麻醉机、微创器械[7]等都运用了气动传输系统。一些康复器械需要运用驱动器来驱动，与电机驱动相比较，气动驱动在安全性、柔顺性、轻巧性等方面都有优势[8]。以下介绍气动技术在脑卒中康复器械中应用现状。

1 气动人工肌肉

肌肉力弱是脑卒中患者常见的症状，严重影响患者的运动功能。研究表明，强化肌肉训练对脑卒中患者的运动功能恢复有积极作用[9]；对于脑卒中力弱患者需进行适当的渐进式抗阻训练。气动人工肌肉是目前比较理想的仿生肌肉，它通过调节其内部的气压来控制肌肉的收缩。气动肌肉有输出力大、使用简单、可弯曲、柔性好、安全等优点[10]，能实现传统电动机所不能实现的弯曲变形等运动形式。

气动人工肌肉的种类繁多，但其基本原理都是由气压控制的可收缩性驱动器[11]。应用气动肌肉的康复装置种类丰富，如仿生臂、机械手、关节驱动、动力行走机构驱动等。最常见的是仿生机器人手臂。日本冈山大学研制一款新型的柔性气动肌肉驱动器，可应用于机器人的手臂或其他康复器械等。该机械仿真手臂通过对气动肌肉的控制，带动人的手臂实现等速运动。机械仿真手臂具有3个自由度，其中两个弯曲自由度及一个伸展-收缩自由度。机器人手臂用于康复治疗分为两种使用方法：主动控制运动和被动控制运动，这款机器人手臂通过嵌入式控制器能实现两种运动的控制方法[12-14]。

2 气动康复手套

越远端的肢体部分，康复越困难，脑卒中患者手指功能恢复最难。为了使患者能够恢复基本的手功能，达到生活自理的水平，需要穿戴康复手套对手指反复进行弯曲、伸张、握取等动作训练[15]。康复手套按照驱动形式分为电机驱动与气动驱动两大类。电机驱动的康复手套结构复杂、体积庞大、安全性能差，因而康复手套多用气动驱动来实现。

目前，最先进的手部康复运动是在一个新颖的虚拟环境中，结合气动设备进行手指康复训练。美国Illinois大学Lauri设计的气动手套，利用空气压力促使手指伸展收缩[16]。它由在手掌一侧的定制气囊及手背一侧的莱卡面料组成，莱卡面料上有一个拉链开口，方便穿上和脱下手套。气囊由聚氨酯材料合成，有5个独立的通道，每个通道对应一个手指。在每个通道内，空气压力产生一个伸展的力，帮助五指伸展，而且每个通道的气路都是相对独立的，它们各自连接一个气动数字伺服阀，伺服阀提供的空气压力介于0～10 psi(1 psi=6.895 kPa)。由程序实现上位机控制气动手套工作。在虚拟环境中，患者使用气动手套进行康复训练时，不仅可以进行手指伸展和弯曲等动作的康复训练，还可以感受到虚拟环境提供的触觉反馈[17]。

3 气动上肢康复装置

脑卒中导致上肢运动功能受限，严重影响日常生活。上肢的康复训练装置主要帮助患者进行伸展、弯曲、举起等动作训练[18]。

目前气动上肢康复训练装置的发展趋势是设计便携式、性价比高、柔顺性好的外骨骼可穿戴的上肢康复手臂，采用此器械进行训练时，患者手臂运动更加灵活一些，可实现更大的运动范围。这些上肢康复装置与虚拟现实技术相结合，实现虚拟现实康复训练[19]，能使患者主动积极训练。美国特兰西瓦尼亚大学设计了一种新型柔性上肢康复装置，采用气缸与气动柔性驱动器复合驱动，能够实现多功能治疗肩、肘、手关节康复；通过和上位机串口通讯，能够实现虚拟环境下的康复运动训练。被动训练过程中，在自由训练阶段使用气缸驱动，以相对较快的速度驱使上肢运动至极限活动位置；在拉伸训练阶段选用气动柔性驱动器，使得上肢训练过程平稳且柔顺。这种气动方式可使驱动器与阻尼器合二为一，能极方便地实现患肢从被动到半被动，再到主动运动的康复训练过程[20]。

4 气动下肢助力康复装置

脑卒中患者多数伴有偏瘫症状。器械辅助治疗偏瘫最有效方法是肢体的康复运动训练。在康复初期，患者无法站立行走，多选用减重床进行被动训练。在康复后期，患者能够站立可进行行走训练时，选用下肢助力机械装置进行抬腿迈步行走等动作训练[21]。

如今已有多种可穿戴式下肢外骨骼康复装置研制出来，这些器械采用的驱动方式主要为伺服电机、液压传动等。但是，下肢外骨骼康复设备存在着适用性不广泛，需要考虑其尺寸、所能承受的应力等，这些问题都限制患者的康复训练[22]。日本冈山大学自然科学和技术学院的Sasaki研制了一款可穿戴式下肢助力康复器械，此器械可弥补下肢外骨骼康复设备的缺点。此装置形似一条普通裤子，由尼龙绑带将具有柔顺性能的气动驱动器固定在膝盖部位。气动驱动器内设4个气囊袋，囊内气体压力产生一个沿尼龙绑带反向的力及膝关节处的一个轴向力。裤子的下端固定在鞋跟，将轴向力转换成帮助下肢弯曲的扭矩。在气动驱动器的气囊内分别充入0、30、50 kpa恒压，就能辅助患者进行下蹲、站起、迈步、上下楼梯等康复运动[23]。

5 气动减重步行训练器

脑卒中患者进行一定时间的功能康复后，可进行步态行走能力训练。减重步行训练是近几年来治疗脑卒中偏瘫步态的一种新方法[24]。训练治疗通过支持一部分体重，减轻下肢负重，使患肢实现重复练习完整的步行周期，延长患侧下肢支撑期，也增加训练的安全性。

气动减重步行装置常见的是悬吊式气动减重步行器。患者肩部由绑带固定，并由平行连杆机构提拉，提拉的动力由气弹簧配合气缸驱动。该气动减重步行器配有下肢矫形器，帮助患者进行步态的重塑[25]。然而，由于悬吊式减重力的支撑点与人体重心不重合，会产生力矩影响患者的舒适度。

为了克服上述悬吊式减重缺陷，让患者在舒适安全的减重环境下进行训练，美国AlterG公司设计研发出反重力步行器。它使患者腰部以下处于气囊中，通过增加气囊内空气压力来提升患者，减重量最大可达到体重的80%。患者在该减重步行器上进行训练时无任何不舒服感，步行的感受就如同在太空漫步一样。该反重力步行器采用了差压气动技术，由气泵造压并控制气压变化，使囊内气压能够平稳地举起患者进行康复训练[26-27]。

6 总结与展望

从国内外康复器械研究状况看到，气动技术由于其在安全性、柔顺性、高精度等方面的优势，在脑卒中康复医疗中应用广泛。许多研究者开发出多种新型气动元件，并与智能化、网络化技术相结合，用于医疗康复领域中。

在我国，康复医学工程还处于初期阶段，气动技术应用于康复运动器械的研发工作才刚起步，与国外相比有一定的差距。未来气动技术应用于康复医疗发展趋势有如下几个方面：①开发气动驱动与电设备一体化的机电气一体化康复设备，并向智能化方向发展；②研发基于气压原理应用于康复医疗的新型驱动器，提高其驱动速度、可靠性等方面特性；③拓展气动技术在康复领域的远程系统及虚拟技术。

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