上肢功能评定装置的研究现状

徐奚娇，胡秀枋

上肢功能评定装置的研究现状

徐奚娇，胡秀枋

本文论述了目前国内外上肢康复装置在脑卒中康复评定中的应用，重点介绍几种典型的上肢康复系统，分析了上肢康复评定过程中多参数的获取方法及评定指标，阐述了上肢康复评定技术未来发展的方向和市场前景。

脑卒中；康复评定；上肢康复；综述

[本文著录格式]徐奚娇，胡秀枋.上肢功能评定装置的研究现状[J].中国康复理论与实践,2014,20(10):916-918.

脑卒中是一种急性的脑循环障碍性疾病引起的大脑神经系统功能缺损，发病后85%患者出现偏侧肢体运动功能障碍[1]。偏瘫患者半侧肢体的运动功能损伤，尤其是手功能和上肢运动功能障碍，极大地影响患者的日常生活。患者大脑神经受损，无法形成对肢体运动的有效控制，导致部分肢体行为能力丧失。上肢功能障碍症状包括上肢痉挛、姿势异常、运动紊乱、肌无力等[2]。对上肢功能进行评估可判定其功能障碍情况及程度，为临床治疗及康复训练提供依据。临床上，精确、客观的评估及理解脑卒中患者上肢运动的功能障碍，已成为制定个性化康复治疗方案、观察治疗效果及分析预后的关键[3-4]。

目前对脑卒中患者上肢运动功能评定方法较多，最常用的是Fugl-Meyer评定法(FMA)。此量表对每一项肢体运动进行三种不同等级(0、1、2)的评分，根据FMA总得分可得出4种运动障碍等级，由此来评定上肢运动功能的严重程度[5]。上肢运功功能评价主要包括肩、肘、腕关节的协调运动，手的抓握、侧捏、对捏等运动。临床上对上肢运动的测量主要依靠人工，医生借助量角器目测评估。这种方法效率低下，受医生主观影响大，限制评价的精确性。因此，智能上肢康复评定器械成为目前研究热点，且在医院康复评定中发挥重要的作用。本文主要对智能化上肢康复评定装置在脑卒中康复评定过程中的应用及国内外发展现状进行概述，提出上肢康复评定技术进一步的发展趋势并预测其广阔的应用前景，为进一步深入研究上肢功能评定的康复设备提供一定的参考依据。

1 上肢功能评定装置的研究现状

随着近年来先进的机电一体化自动控制技术、智能化机器人技术、微型传感器等先进技术的发展，国内外许多科研机构开展了上肢康复评定技术和装置的研究，主要是基于这些上肢康复设备的3个关节灵活度，对患者的肩关节、肘关节、腕关节进行康复评估和治疗。

美国上肢康复设备和技术的研究一直处于世界前列。麻省理工大学研制出适用于偏瘫患者上肢康复运动机械手(MIT-MANUS)。设计者以患者使用的舒适性、安全性、稳定性及柔顺性为目标进行研究，如今已有近20年的发展及临床试验。脑卒中患者坐在电脑屏幕前，将小手臂及手腕伸入上肢外支架机械装置中，通过视觉反馈帮助患者做肩部及肘部平面上的主被动运动。MIT-MANUS康复机械手为末端牵引式机器人系统，通过电位器、测速电机、力矩传感器采集患者上肢运动的位置、速度、力等数据，作为患者上肢康复评定的依据[6-7]。该产品通过在美国Burke康复医院的临床应用[8]，表明该仪器对平面运动训练脑卒中患者的肘、肩关节肌肉群的功能恢复有效，且疗效具有长期性。

美国斯坦福大学开发的上肢康复系统设备MIME，可以辅助患者患肢进行肘关节弯曲与伸展、肩关节旋前与旋后等三维空间运动[9-10]。该器械设有两个可移动的手臂支架，通过系统提供动力源带动患肢按照健侧手臂移动的轨迹完成镜像运动。MIME上肢康复机器人一侧机械臂由健侧手臂做主动上肢运动，另一侧机械臂由患肢使用做被动上肢运动。因此，从机械设计角度上来说，患侧支架不具有反向可驱动力，依靠MIME康复机器人进行测试评估所得的参数仅有健侧手臂的运动速度、输出力、载荷等参数才有参考价值。此设备对患者上肢运动能力要求较高，临床使用也有相应的局限性，在医疗领域的应用难以普及。

美国芝加哥大学与加州大学共同研制的一种称为ARM GUIDE康复评定导向器，用来测量脑卒中患者上肢运动功能。该康复设备有3个自由度，配置有一个直线轨道，可通过两个自由度调节其仰角和水平面的左右旋角，并由电机驱动直线导轨带动手臂沿着轨道方向进行屈曲、伸展等运动。在运动过程中，传感器记录患者前臂所用力的大小和运动轨迹[11-12]。ARM GUIDE根据其设计的机械结构建立相应的几何学模型，便可计算反馈出当前上肢运动的位置。但该设备评估训练方式单一，几何学模型较为复杂，推算出的运动状态位置误差较大，无法进行多动作、多状态、多方式的深入评估测试。

美国BIODEX公司生产的SYSTEM 4 PRO多关节等速评估训练系统，可综合评定患者动态下关节及肌肉群的功能，为科学评价患者的运动功能提供可靠的数据[13]。用固定角速度的模式测试肩关节屈曲与伸展、肩关节内旋与外旋、肘关节屈曲与伸展等上肢康复运动动作，测得的等速肌力能客观评估上肢各关节肌力，检测其肌肉功能损伤程度等[14]。BIODEX的S4能较全面检测人体全身关节运动功能，但缺乏相关的康复评定标准。

瑞士、以色列等国家对上肢运动功能康复系统进行了较多的研究。瑞士苏黎世大学的Tobias Nef等开发了一种新型的上肢三维多关节训练评估系统Amin。它由一种六自由度半外骨骼装置组成，安装有位移传感器及六轴力矩传感器，能对患者肘部屈伸和肩膀三维的空间运动进行上肢运动功能检测评定。Amin提供4种驱动模式，对患者的上肢进行主被动训练并实时反馈检测到的数据，通过相应配套软件记录上肢每个关节的运动情况，供治疗师来评估患者病情恢复状况[15-17]。但该装置所选用的传感机构复杂，不易加工，且运动学模型计算量大，产生的误差也较大。

以色列迈拓医疗生产研发的肘及肩关节训练器(ArmTutor)，由便携穿戴式上肢支架及理疗康复软件组成。仪器内置速度传感器和位移传感器，将肘关节及肩关节的运动速度和位移转换成直观的虚拟游戏，其系统结构精简且可评价患者运动的速度、被动及主动运动的范围，及上肢的运动模型分析，可对手肘弯曲及肩关节屈曲、伸展，外展、内收等肩关节运动部位进行评估[18-20]。该反馈评估系统体积灵巧便捷，但仅适用于检测评定患者主动运动的上肢功能，对于病情较重的患者不适用，且使用角位移传感器，输出的电信号根据其与角度成正比关系需进行转换，因此存在一定的误差。

国内对上肢康复训练评估设备的研究起步较晚，相比国外先进的技术，我国还与之存在一定的差距，近几年有多个高校及科研机构对康复训练评估系统进行了一定的研究。

哈尔滨工业大学机电一体化实验室研制的应用于偏瘫患者康复训练的外骨骼式上肢康复机器人，该系统具有5个自由度的仿人手臂，分别为肩关节2个、肘关节1个、腕关节2个，能实现在水平面及竖直面上进行肩关节及肘关节的运动。该上肢康复机器人可实现辅助患者运动功能，通过实时获取各关节力矩信号和各关节角速度信号来判断患者上肢运动意图并及时反馈给中控系统，利用控制器对上臂驱动装置运行速度进行调节，从而带动患者各关节完成运动。该系统对患者运动效果的评定是通过记录人体骨骼肌肉活动电信号来对患者运动损伤及治疗效果进行客观、量化的评价[21-22]。但这种上肢评定方法还没有建立一个有效的评价指标，因此系统测得的评定结果在临床上应用有其局限性。

华中科技大学设计了一种气动肌肉驱动的外骨骼可穿戴式上肢康复机器人，该机器人具有9个自由度，有8个主动运动关节，包括肩关节左旋右旋、上旋下旋、左移右移、外展内收、前屈后伸、内旋外旋，肘关节屈伸和前臂掌下掌上，还有1个被动关节：前臂伸缩。各关节均由气动肌肉以两端反向对拉方式驱动，通过PID(Proportion,Integration,Differentation)控制器调节上肢关节运动参数。该上肢康复装置配有控制系统软件，不仅对系统进行控制，同时能记录患者的康复运动信息及数据，并给予相应的康复评分[23-24]。该康复仪器柔顺性能好，PID控制算法复杂，因此产生误差大，响应速度慢，不易在临床上应用普及。

东南大学设计的单自由度远程上肢康复训练机器人，可以实现被动、主动锻炼模式和远程的训练模式。由机械臂、力矩传感器、驱动电机等机构组成，用于训练肩、肘及腕关节的康复运动。该机器人的远程模式可将患者训练时系统测得的力和位置等信息实时反馈给康复医师，为患者提供准确客观的康复评价，且有助于解决传统康复训练方法迫切需要解决康复训练效率低下、康复评价不够客观、偏远地区患者看病难等问题[25-26]。国内其他大学如上海交通大学、浙江大学、上海大学等高校都对上肢康复训练机器人进行过相关的研究。但临床上应用较少，还需有待进一步研究。

2 结论与展望

从上述研究现状分析来看，至今还无一种能按照国际通用的康复评定标准及临床需求对上肢进行评估的康复装置。上肢康复系统大多以能带动上肢进行康复运动、提升上肢肌肉强度为目标，对上肢功能评定只是一项辅助的功能，用于记录该系统的上肢运动参数以供医师参考分析。且这些装置机械结构复杂庞大，对上肢功能评定也需要通过复杂的建模得到其空间位置，通过力矩传感器、速度传感器及其配置的软件得到其运动参数[27]。当前临床上十分缺少那些具有针对性的、适用于上肢评定的康复器械，依靠康复医师用量角尺目测患者上肢运动状态不能定量分析且费时费力，因此需要通过运动学和动力学建模对能定性定量评定上肢功能的器械进行进一步的研究。

随着老龄化人口越来越多，脑卒中的发病人数也逐年增加，在未来的上肢康复评定器械设计中，所设置的运动模式应适应于不同病情程度的患者。且设计上肢康复评定器械应往便携、简约的方向发展，以便其在家庭康复中得到应用。

[参考文献]

[1]杨启志,曹电锋,赵金海.上肢康复机器人的研究现状的分析[J].机器人,2013,35(5):630-640.

[2]Land CE,Bland MD,Bailey RR,et al.Assessment of upper extremity impairment,function,and activity after stroke:foundations for clinical decision making[J].J Hand Ther,2013,26 (2):104-115.

[3]Potter K,Fulk GD,Salem Y,et al.Outcome measures in neurological physical therapy practice:PartⅠMaking sound decision[J].J Neurol Phys Ther,2011,35(2):57-64.

[4]中华医学会神经病学分会神经康复学组,中华医学会神经病学分会脑血管病学组,卫生部脑卒中筛查与防治工程委员会办公室.中国脑卒中康复治疗指南(2011完全版)[J].中国康复理论与实践,2012,18(4):301-318.

[5]寇程,刘小燮,毕胜.四种上肢功能评定量表用于脑卒中患者的信度研究[J].中华物理医学与康复杂志,2013,35(4): 269-272.

[6]Morales R,Badesa FJ,Aracil N,et al.Pneumatic robotic systems for upper limb rehabilitation[J].Med Biol Eng Comput, 2011,49(10):1145-1156.

[7]Obayashi C,Tamei T,Shibata T,et al.Assist-as-needed robotic trainer based on reinforcement learning and its application to dart-throwing[J].Neural Networks,2014,53(1):52-60.

[8]Krebs HI,Krams M,Agrafiotis DK,et al.Robotic measurement of arm movements after stroke establishes biomarkers of motor recovery[J].Stroke,2014,45(1):200-204.

[9]Abdullah HA,Tarry C,Lambert C,et al.Results of clinicians using a therapeutic robotic system in an inpatient stroke rehabilitation unit[J].J Neuroeng Rehabil,2011,8(1):50-62.

[10]Song AG,Pan LZ,Xu GZ,et al.Impedance identification and adaptive control of rehabilitation robot for upper-limb passive training[J].FoundAppl Intel Sys,2014,213(1):691-710.

[11]Laura MC,David J.Review of control strategies for robotic movement training after neurologic injury[J].J Neuroeng Rehabil,2009,6(1):21-35.

[12]Klamroth MV,Blanco J,Campen K,et al.Three-dimensional, task-special robot therapy of the arm after stroke:a multicentre,parallel-group randomized trial[J].Lancet Neurol,2014,13 (2):159-166.

[13]Gunnarsson U,Johansson M,Strigård K.Assessment of abdominal muscle function using the Biodex System-4:Validity and reliability in healthy volunteers and patients with giant ventral hernia[J].Hernia,2011,15(4):417-421.

[14]Edouard P,Codine P,Samozino P,et al.Reliability of shoulder rotators isokinetic strength imbalance measured using the Biodex dynamometer[J].J Sci Med Sport,2013,16(2): 162-165.

[15]Colomer C,Baldoví A,Torromé S,et al.Efficacy of Armeo®Spring during the chronic phase of stroke.Study in mild to moderate cases of hemiparesis[J].Neurología(English Edition),2013,28(5):261-267.

[16]Mihelj M,Nef T,Riener R.ARMinⅡDof rehabilitation robot:mechanics and kinematics[C].Roma:2007 IEEE International Conference on Robotics andAutomation,2007.

[17]Su DZ,Zhu SF.The analysis and control of exoskeleton upper-limb rehabilitation robot[J].Key Eng Materials,2013,572 (1):619-623.

[18]Levanon Y.The advantages and disadvantages of using high technology in hand rehabilitation[J].J Hand Ther,2013,26(2): 179-183.

[19]Sergio GV,LaVonda B,Hae P,et al.Engaging children in play therapy:the coupling of virtual reality games with social robotics[J].Technol Inclusive Well-Being Stud Comput Intel, 2014,536(1):139-163.

[20]Fitri Y,Khudzari M,Zahran A,et al.Recent trends for practical rehabilitation robotics,current challenges and the future[J]. Int J Rehabil Res,2014,37(1):9-21.

[21]曹电锋,杨启志,庄佳奇,等.一种六自由度上肢康复机器人的结构设计及运动学分析[J].工程设计学报,2013,20(4): 338-343.

[22]李庆玲,叶腾茂,杜志江,等.外骨骼式上肢康复机器人力辅助控制[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(2):166-170.

[23]江先志.双向对拉气动肌肉驱动关节伺服控制及其在康复机器人中的应用[D].武汉:华中科技大学,2011.

[24]王建.气动肌肉驱动的康复机器人控制系统设计[D].武汉:华中科技大学,2011.

[25]王月姣,李会军,宋爱国.单自由度远程康复训练机器人系统设计[J].测控技术,2009,28(7):41-45.

[26]高鸣,宋爱国,李会军.单自由度康复训练机器人的虚拟环境设计[C].北京:第三届全国嵌入式技术和信息处理联合学术会议,2010.

[27]Satoshi N,Kazutoshi T,Kazuya S,et al.A musculoskeletal bipedal robot designed with angle-dependent moment arm for dynamic motion form multiple states[J].Advanced Robotics, 2014,28(7):487-496.

Development of Upper Extremity Evaluation Devices(review)

XU Xi-jiao,HU Xiu-fang.School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China

This paper discussed the application of upper extremity rehabilitation devices in rehabilitation evaluation after stroke,focused on some typical kinds of upper extremity rehabilitation systems.It was analyzed that the way to obtain multiple parameter and evaluation indices during the progress of upper extremity rehabilitation evaluation,and viewed the development and application of upper extremity rehabilitation evaluation technology.

stroke;rehabilitation evaluation;upper limb rehabilitation;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.005

R743.3

A

1006-9771(2014)10-0916-03

2014-04-08

2014-05-04)

上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市200093。作者介绍：徐奚娇(1990-)，女，上海市人，硕士研究生，主要研究方向：康复医疗器械。通讯作者：胡秀枋。E-mail:huxiufang1965@163.com。