MLTJ：肩关节康复机器人[临床综述]

为了恢复运动功能，必须进行高强度、重复性和任务导向性康复训练，在过去的几十年间，为了满足这种日益增长的需求，人们把目光转向了康复机器人，并在该领域内进行了数个研究。但是，至今为止，针对上肢的康复机器人研究一般关注的患者群体大多为脑卒中幸存者，而对骨关节疾病中肩关节康复训练的关注略显不足。

来自于意大利Cervesi医院的Sicuri等为了理解目前康复机器人在神经系统疾病和骨关节系统疾病所导致的肩关节运动障碍中应用的适应症，以及上肢康复机器人在未来的应用前景，他们撰写了文章并发表在 Muscles Ligaments Tendons J  2014年的期刊上。

肩关节康复机器人

在康复领域中，评价运动功能及其变化的量表都是半定量的，因此无法进行定量可靠的评价，也无法评价患者的残疾程度、残存的运动功能和治疗的有效性。康复机器人则能进行定量评估，如运动的速度、运动的准确性和运动耐力。

在本文中，Sicuri等描述了用于肩关节康复的现代机器人系统，也总结了机器人治疗的适应症，从而探讨上肢机器人在改善患者肩关节功能上所起到的作用。

1. 肩关节的生物力学

在神经康复技术的进展过程中，躯干稳定性被视为在日常功能性活动的基础，它影响着平衡功能，起到不同运动间的协调作用，因此，即使在治疗因骨关节疾病所导致的肩关节功能障碍时，也不能忽视躯干稳定性这一先决条件。由于躯干肌肉运动的协同性，应该通过适当的康复技术来增强神经控制，从而调节躯干肌肉的力量，以达到维持躯干稳定的目的。

肩关节和肘关节在上肢功能恢复中所起的作用也是至关重要的，因为如果没有近端控制的话，那么手功能就无从谈及。有研究发现，在抓握、够物或其他运动中（扔球或接球），肩关节、肘关节和手的运动轨迹是紧密结合的。

不同的任务和运动场景也影响到肩、肘和手的运动轨迹，如在不同的位置和/或不同的方向时，够物和抓握的运动轨迹就可能存在不同。Soma等认为通过应用EMG和加速度传感器来记录肩关节周围肌肉的活动，就能实时分辨不同的抓握动作和上臂运动的方向。

所以当我们在制定肩部复合体和上肢的康复计划时，如果不考虑躯干和肩关节的生物力学要素，那么所制定的方案很可能是徒劳的，当我们的目的是研发用于上肢的新型的机器人系统时，将上肢的生物力学纳入考虑范围更是必须的。

肩部复合体包括盂肱关节和肩胛带，而肩胛带又包括胸锁关节、肩锁关节和肩胛骨-胸廓关节。这三个关节的运动会改变盂肱关节的中心，使其成为一个封闭的运动链，在这个运动链中这些关节无法独立活动。因此，目前针对肩复合体的物理治疗是通过移动肱骨来诱导肩胛带运动的。

一般而言，肩关节指的是盂肱关节，它有三个自由度（DOFs）。肩胛带的主要运动方向是垂直运动和侧方运动，可以通过描述这两个方向上肩关节的活动情况来反应肩关节的活动效果。此外，肱骨运动与肩胛骨运动相联系，这就是所谓的肩肱节律（CGH），即随肱骨在不同平面的抬高而发生变化，也随肩关节内旋或外旋的角度不同而发生变化。

因此，在那些因骨关节系统疾病或神经系统疾病而无法自主活动肩关节的患者中，机器人辅助训练是一个可供选择的康复治疗方案。但是这一类患者通常会通过躯干的移动来代偿肩关节丧失的活动范围，而这一代偿活动则会影响到康复治疗的效果。因此，在训练过程中，应该固定患者的躯干，从而限制代偿活动的发生，以及增加肩胛带的应用。

完全模拟人类上肢的机器人系统有6个DOFs，简述如下：肩胛带的抬高/降低、肩胛带的前伸/回缩、肩胛带的屈曲和伸展、肩胛带的外展和内收、肩胛带的内旋/外旋，以及肘关节的屈曲和伸展。在理解了肩关节的生物力学之后，让我们把目光转向在肩关节康复中的机器人分类。

2. 肩关节康复机器人的分类

如果在康复治疗过程中，需要精确的调节个体化康复方案，改善患者残存的运动功能，或者需要定量评估治疗后的疗效以及监测训练过程中的变化时，可以选择康复机器人治疗。

机器人系统一般由下述8个组分组成，即具有和需要执行的任务自由度一致的机械结构、具有控制关节的执行器（电动或气动）、可以提供机器功能状态和与环境交互信息的本体感受器和外感受器、需要执行的任务序列，并在电脑系统中有详细的信息、需要一台电脑产生信号来控制机器人关节、处理来自于感受器的信号，以及操控运动控制器，以及人/机交互，接受来自用户（治疗师/患者）的信息/指令，并提供在线反馈。

机器人能根据患者残存的运动功能对运动速度进行个体化的校准，从而代偿患者不足的力量或运动控制，并且能让患者感受到功能的改善。在这一过程中，需要一系列的感觉、运动和认知信息的输入，如患者对自发运动的主观控制、表面躯体感觉输入、与本体感觉相关的静态和动态信息、相关的视觉信息（如虚拟现实）。

根据控制策略的不同，机器人辅助患者运动的模式包括被动、主动、主动-助动和抗阻运动。被动指的是机器人带动患者上臂运动；主动指的是患者自行完成运动，机器人不提供帮助；主动-助动指的是首先由患者尝试助动运动，根据患者的情况再决定是否需要机器人提供辅助运动，因此适用于患者能完成一定肢体运动但无法充分完成的情况；抗阻运动指的是患者需要对抗来自于机器人的阻力完成运动。

根据机器人的机械特征的不同，至少能分成三大类：外骨骼支架、终末感受器（也被称为“操作器”或“机械手”）和电缆驱动。

2.1 外骨骼支架

为了尽可能的覆盖整个上肢的关节活动度，外骨骼假肢和康复装置一般的设计都是使机械关节和人类肢体关节相匹配和吻合。它们和肢体的每个节段相连接，能独立的控制关节大部分的DOFs，这一特征使外骨骼支架的治疗作用远远优于终末效应器式的机器人。但是它的主要的不足在于难以真实的复制关节复合体的DOFs，以及难以精确的和患者的关节保持一致。

在机器人的设计上和上肢康复相适应，即适应和代偿肩关节产生的移位，从而预防由于关节轴不吻合所造成的肩关节内的应力的出现。

当人类和机器人DOFs无法精确匹配时，机器人就会在关节连接处产生不适当的力。这不仅会对患者造成损伤，也会造成关节疼痛和长期损伤。

现有的外骨骼支架的种类很多，每一类所具有的DOFs不同，实现DOFs所应用的技术也不同。例如，机器人CADEN-7和L-EXOS在肩胛带上不具有任何DOFs，但是它们对躯干的DOFs有作用。机器人Armin III和Intelli Arm在上臂抬高的同时能产生垂直的DOF，但水平的DOF没有纳入考虑范围（图 1和2）