文摘
介绍了现有的下肢康复机器人系统的调查。一般认为机器人将发挥重要的作用在康复治疗在治疗活动。在过去的十年里,对这个领域的兴趣呈指数级增长主要是由于最初的系统和早期的成功带来的日益增长的需求越来越多的中风病人和他们的助理康复费用。因此,治疗机器人系统已经开发出来的全球培训上、下肢。这项工作评审所有当前日期为下肢康复机器人系统,以及主要临床试验进行,目的是显示一个明确的起点。它还评论一些挑战,当前系统仍然需要满足为了获得更广泛的临床和市场接受度。
1。介绍
中风是第三个最常见的死亡原因在全世界范围内和永久性残疾的主要原因在美国和欧洲1]。卒中后神经损伤的病人经常会导致身体的一侧轻偏瘫或部分瘫痪,影响病人的执行日常生活活动能力(ADL)如散步和吃。物理治疗,包括康复,帮助改善了函数(2,3]。
康复训练的目的是执行特定动作,引起电机可塑性病人,因此改善电机复苏和最小化功能赤字。肢体运动康复的依赖,从而影响肢体必须行使(4]。
本文的重点是下肢康复。三分之一的幸存的患者中风不重获独立行走能力和动态,走在一个典型的不对称的方式(1]。康复疗法恢复至关重要,因此许多研究正在进行。
康复过程对恢复有意义的流动可以分为三个阶段4- - - - - -6):(1)卧床不起的病人尽快动员到椅子上,(2)恢复步态,(3)(即改善步态。、培训的免费走如果可能的话)。
传统康复疗法非常劳动密集型尤其是对步态康复,经常在一起需要超过三个治疗师帮助病人的腿和躯干手动执行培训。这一事实对任何国家强加了一个巨大的经济负担的卫生保健系统从而限制其临床验收。此外,人口变化(老化),预计医疗人员的短缺,甚至需要更高质量的保健预测增加平均成本在未来从第一次中风死亡。所有这些因素刺激创新领域的康复(7]在这种方式变得更便宜,可以为更多的病人和更长一段时间。
机器人康复治疗是一个新兴领域,有望增长作为自动化解决方案培训。机器人康复可以(我)取代物理治疗师的培训工作,让更多的重复性的动作和交付疗法以合理的成本,和(2)评估定量马达复苏的水平通过测量力和运动模式。
在最近的文献处理开始下肢康复机器人的多部作品中。本文的目的是审查现有的接口,以及正在进行的工作,给研究人员当前状态的艺术和路线图。被动机器人康复设备,尽管不那么复杂和便宜,四肢不能供应能量的影响,因此是有限的而活动设备和这项工作的范围。最后,当前的挑战在该领域也在最后一节中指出。
2。下肢康复机器人系统
在过去的十年里,一些下肢康复机器人开发恢复流动性受影响的四肢。这些系统可以组合它们遵循(图据康复原则1):(我)跑步步态训练师,(2)foot-plate-based步态训练师,(3)地上的步态训练师,(iv)静止的步态训练师,(v)踝关节康复系统,(一)固定系统,(b)活跃的足部矫形器。
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(b)
(c)
(d)
(e)
下面的描述每个小组的工作原理和审查所有现有设备到目前为止(以我们所知)。临床试验的病人身上进行使用这种系统也报告(测试与健康的患者被排除在外)。
2.1。跑步步态训练器
传统疗法通常集中在跑步机训练改善功能移动(8]。这种康复技术被称为部分体重支持跑步机培训(PBWSTT)。三个治疗师帮助病人的腿和臀部在跑步机上行走时部分病人的体重是由利用一个开销。
许多机器人系统已经开发出来,目的是自动化和提高培训技术作为一种手段来减少治疗师劳动(9]。通常这些系统都是基于外骨骼式机器人结合跑步机(图1(一))。表1总结了系统中可用的文学。
的10个系统组成,其中只有三个市场:Lokomat LokoHelp, ReoAmbulator。Lokomat (Hocoma AG)由一个机器人步态矫正法和一种先进的体重支持系统,结合一个跑步机10]。它使用计算机控制电机(驱动)集成在步态矫正法在每个髋关节和膝关节关节(图2)。驱动器是与跑步机的速度精确同步,保证精确匹配步态矫正法和跑步机的速度。到目前为止,这是最临床评估系统(11- - - - - -15)和一个第一的类型。
LokoHelp (LokoHelp集团)是一个机电设备开发改善脑损伤后步态(16]。LokoHelp(图3)被放置在跑步机上行走方向平行于表面和固定到前面的跑步机一个简单的夹具。它还提供了一个为病人体重支持系统。临床试验进行分析其可行性和有效性(16,17]。结果表明,该系统提高了病人的步态能力相同的方式手动运动训练;然而,使用少LokoHelp治疗援助需要和医生减少不适。这一事实是一个总体结论迄今为止几乎所有的机器人系统。
ReoAmbulator (Motorika有限公司,在美国市场销售的“AutoAmbulator”)是另一个body-weight-supported跑步机器人系统(18]。机械臂在大腿绑在病人的腿和脚踝,使他们通过步进模式(图4)。单盲、随机临床试验来评估其有效性在中风患者目前正在进行中。ReoAmbulator是在合作开发南方保健康复医院的网络。
其他机器人系统正处于研究状态或处于开发阶段,但已经用于进行临床试验。例如,加州大学研究室开发了几个机械设备运动训练后脊髓损伤:Ambulation-assisting机器人工具为人类康复(ARTHuR),设备设计的测量和操纵人类踩跑步机(19];气动步态矫正法(POGO),一种改进leg-robot设计;骨盆协助机械手(PAM),设备能够适应和控制自然的骨盆运动(20.]。前者,亚瑟,已在临床试验中测试21)显示其可靠性进行科目的辅助步进,从而减少所需的努力训练期间人工帮助。
活动腿外骨骼(ALEX)是一个动力腿矫正法和线性致动器在髋关节和膝关节关节,和一个力场控制器开发提供帮助病人使用assist-as-needed方法(22]。它测试了两个慢性中风幸存者的步态模式得到了极大提高培训后(23]。改进测量作为一种增加病人的步态模式的规模和速度在跑步机上行走。
步态康复机器人洛佩斯(外骨骼动力下肢辅助机)可以与一个人的腿在跑步机上行走,在骨盆高度灵活地连接到固定的世界(24]。第一个临床试验已经完成,测试洛佩斯的功效在改善慢性中风幸存者的行走能力和质量(25]。
最后,有三个机器人系统研究:ALTRACO, RGR和String-Man。自动运动训练使用一个驱动兼容机械矫正法(ALTACRO)项目旨在开发一种新型的一步康复机器人使用一个轻量级的、顺从的、气动执行机构(26]。设备由一个单方面的外骨骼和一个支持性的手臂被动重力秤设备。
机器人步态康复(RGR)教练建立了目标二次中风后患者步态偏差。虽然病人走动在跑步机上,力场被应用到骨盆,生成纠正力量作为响应偏离正常骨盆运动(27]。该设备是通过整形病人撑耦合。
String-Man [28),开发的弗劳恩霍夫IPK、柏林、是支持步态康复机器人系统和运动功能的恢复。它有一个特定的运动结构与7电线连接到病人的主干。
2.2。Foot-Plate-Based步态训练器
一些康复机是基于可编程脚盘子。也就是说,病人的脚放置在单独的板块,其运动控制的机器人系统来模拟不同的步态模式(图1 (b))。表2显示了这种系统的审查。可以看出,只有一个系统是在市场上,虽然很多人已经做了一些临床测试。
我(图的Gangtrainer GT5),由Reha-Stim商业化,可以帮助病人恢复他的自由运动,减轻自己的体重和适应速度从病人的个人能力29日]。Harness-secured病人放置在两个脚板块的运动模拟的立场和swing,和绳索连接到病人可以控制质心的垂直和侧向运动。许多临床研究已经进行了全球与这个设备30.- - - - - -32),它被认为是一个先锋康复机器人系统。同样对于跑步步态训练师,Gangtrainer GT我至少是一样有效的人工跑步机治疗但要求减少输入的治疗师。
HapticWalker是触觉运动界面不仅能模拟缓慢而平滑的轨迹(就像走在一个楼,上下楼梯),而且脚动作像走在崎岖的道路上跌跌撞撞,甚至或滑动,这需要高阶系统动力学(33]。GT的主要设计我脚板轨迹完全可编程,这是目前在几个试验中风患者和临床评估脊髓损伤患者(34]。
GaitMaster5 (GM5)是最近开发的步态康复系统筑波大学(35]。病人肩带他/她的脚成垫,内衬传感器(图6)。这些垫与运动平台可以移动用户的一面(模拟行走)或上下(如爬)。
(一)
(b)
下肢康复机器人(LLRR)可以帮助患者模拟正常人的步伐和锻炼腿部肌肉36]。它与步骤的姿态控制系统是由控制机制和体重减轻。
6-degree-of-freedom(景深)步态康复机器人了国立大学和上、下肢连接,允许行走速度更新各种地形。它由一个上肢装置,滑动装置,两个拦路贼设备,和一个身体支持系统。飞行员与偏瘫的患者临床试验进行了(37]。
2.3。地上的步态训练器
系统报道在表3由机器人servo-follow病人的步行运动地面。他们让病人自己的控制之下,而不是移动通过预定的运动模式(图1 (c))。很明显,几乎所有的系统回顾已经商业化。
KineAssist是机械设备(图7),商业化Kinea设计、有限责任公司、步态和平衡训练(38]。它由一个定制设计的躯干和骨盆利用附加到一个移动机器人基地。机器人是根据部队控制的检测从主体位于盆腔利用负载细胞。最近的临床试验进行了(39)为了评估地面步行速度变化时使用KineAssist系统。
WalkTrainer (Swortec SA)是一个康复机器人系统由deambulator,骨盆矫正法,体重支持,两腿矫形器,实时控制电刺激器(40]。这是一个地上行走再教育deambulator协会的骨盆和腿部矫形器。第一个临床试验进行了与系统(41]。
“重新行走”是一种可穿戴,机动quasi-robotic西装从阿尔戈医疗技术有限公司(图8),可用于治疗活动(42]。“重新行走”包括光可穿戴西装撑支持,集直流电机在关节、充电电池、传感器、数组和一个基于计算机的控制系统。上身的运动检测到用户和用于启动和维持走流程。设备正在进行临床试验测试在费城的苔藓康复医院。
混合式辅助义肢)是一种可穿戴机器人为范围广泛的应用程序而设计的,从康复沉重的工作支持,建成的几个版本(全身版本和两版)(43]。当前版本5已经被用于进行临床测试(44]。哈尔的单腿版本也被开发来支持行走的偏瘫(图9)。行走的支持是评估一个偏瘫的主题不能弯曲他的右膝45]。
我和二世是两个移动步态康复系统,使地上步态训练。试点开展临床试验证明这两个系统的有效性(患者步态康复阶段的小腿部受伤后)(46]。
2.4。固定步态训练器
表4提出了机器人系统,重点是引导肢体运动为了有一个最佳的效果从治疗和功能的角度来看(图1 (d))。这些系统的目的是获取有效的加强肌肉和耐力的发展,以及关节的灵活性和运动协调。
MotionMaker (Swortec SA)是一个静止的训练系统,允许开展健身运动瘫痪的肢体的积极参与(47]。四肢只是附着在矫形器在模拟天然地面反作用力(图水平10)。MotionMaker的优点是它的实时sensor-controlled练习,结合电刺激控制,适应患者的努力。第一个临床试验进行了与系统(40),改善病人的能力开发更高自愿力在压腿运动。
另外两个机器人系统开发一个类似的工作原理:λ,康复和健身机器人用于动员下肢(48),它提供了下肢的运动在矢状面,包括额外的旋转脚踝动员;和wire-driven腿康复系统[49]国家先进工业开发的筑波科技(巨大)。
2.5。脚踝和膝盖的康复系统
卒中后神经损伤会导致减少或没有踝关节和膝关节周围的肌肉活动导致个人无法举起脚(脚)下降。脚踝运动非常复杂,由于其复杂的骨骼结构(50]。的整体运动,踝关节背屈/ plantarflexion可以安排,倒置/外翻,绑架/内收,内翻/旋后。
许多系统开发实施或恢复这些脚踝和膝盖的动作特别。这些系统可以分为固定式或活动足部矫形器。
2.5.1。文具系统
固定系统(表5)那些机器人机制旨在锻炼人的脚踝和膝盖的动作没有走。病人的位置总是在同一个地方,只有目标肢体运动(图1 (d))。
罗格斯脚踝是第一的。斯图尔特是一个类型的平台供应6自由度触觉界面电阻部队病人的脚,为了应对虚拟以现实为基础的练习(51]。许多临床试验已经进行这个系统(52- - - - - -54),改善病人的临床措施的力量和耐力。在[55),系统扩展到双Stewart平台配置用于步态仿真和康复。
史犬di Tecnologia (IIT)已经开发出一种高性能的脚踝康复机器人(56]。该设备允许足底/背屈和反转/翻转使用一种改进的性能并行机制,利用驱动冗余消除奇异性,极大地提高工作区灵巧(图11)。
最近的一个系统,活跃的膝盖康复矫正的设备(AKROD),提供可变阻尼在膝关节,控制的方式可以促进卒中后运动复苏和其他神经系统疾病患者和加快复苏在膝盖受伤的病人57]。尽管它被分组为一个固定系统,未来的工作重点是一个驱动AKROD在散步。
大阪大学已经开发出一种leg-shaped机器人(Leg-Robot)与一个紧凑的磁流变液离合器来演示几种触觉控制的异常运动脑部受伤的患者(58]。该系统可用于实际训练学生的物理治疗。
光州科学技术研究所(要点)开发了一种可重构的脚踝和脚康复机器人覆盖各种康复运动模式(59]。机器人可以允许所需的脚踝和脚动作,包括脚趾和脚跟提高以及传统的脚踝旋转。系统被设计用来执行加强和平衡练习。
所谓的东北大学虚拟脚踝和平衡训练(NUVABAT)康复系统是一个低成本、紧凑、机电整合康复设备培训锻炼踝关节活动度(ROM)的坐着和站着的位置和体重变化和平衡训练站的位置(60]。
在国王学院机械工程系提出了脚踝康复机器人基于并联机构与中央支柱(61年]。奥克兰大学也开发了一种并联机器人进行踝关节康复运动(62年]。在这最后的系统中,人类的脚踝是安全的终端执行器,它形成机器人的运动学约束的一部分。
人机系统实验室(MML)国立成功大学(国立)开发了一个机器人帮助患者恢复踝关节功能障碍(63年),机械工程与自动化学院福州大学的脚踝运动进行了深入分析,提出了两种不同的康复机器人50]。筑波的产业技术开发了一种机械装置踝关节背屈/ plantarflexion可以应用到复杂的踝关节畸形患者(64年]。
2.5.2。活跃的足部矫形器
相反,固定系统,活跃的足部矫形器(表6)驱动外骨骼用户穿在地上行走或跑步机(图1 (e))。他们的目的是控制的位置和运动脚踝,弥补缺点,或纠正畸形。它们的进化传统被动式下肢矫形器,与附加功能,以促进适当的步态动力学康复(65年]。
两个早期的尝试开发这样的系统是动力步态矫正法(PGO) [66年)和气动活跃步态矫正法(帕果-帕果)67年]。人类参与者两种设备进行了测试,但是他们没有商业化。
目前,唯一的商业化系统康复是Anklebot(互动的运动技术,Inc .),脚踝机器人研制的麻省理工学院(MIT)恢复脚踝卒中后(68年]。它允许正常范围的3自由度的运动相对于柄脚走在地上或者在跑步机上。飞行员对照试验的设备提出了在69年,70年),显示一个延续与一般改进步态特征的步行距离和时间。
麻省理工学院也开发了一个活跃Ankle-Foot矫正法(AAFO)的阻抗矫正的关节是在整个步行周期调制治疗垂足步态(71年]。
另一个系统是踝足矫正法在特拉华大学(AFOUD) 2自由度。两个动作结合背屈/ plantarflexion和反转/翻转运动(72年]。
Knee-Ankle-Foot-Orthosis (KAFO)是一种矫正法由人工气动肌肉在人体行走(73年]。作者曾建了一个动力Ankle-Foot-Orthosis (AFO)和有效地使用它在研究人类运动适应和步态康复(74年]。
机器人步态训练(RGT)开发的人机一体化实验室亚利桑那州立大学是一个行走装置(图12)要在跑步机上使用75年]。自然是兼容由于肌肉驱动器和春天有能力达到更自然的步态,允许患者的踝关节外翻,反转,plantarflexion,背屈。案例研究与女性据报道,检验系统的性能(76年]。病人受到任何不利的结果RGT合并治疗,在性能指标改善或保持不变。
延世大学开发了一个活跃的ankle-foot矫正法(Yonsei-AAFO)可以控制的踝关节背屈/ plantarflexion防止足下垂和脚趾拖动行走期间(77年]。偏瘫的患者步态分析,结果表明,发达AAFO也许会有更多的临床益处治疗足下垂和脚趾拖动偏瘫的患者,与传统灭蚜磷(78年]。
在最近的一次工作,萨班吉大学Kinetostatically优化配置并行接口对踝关节康复(名为SUkorpion AR),也可以采用平衡/本体感觉训练或配置适应的活动范围和加强锻炼79年]。
3所示。挑战
机器人系统被认为是作为标准的康复工具在不久的将来。此外,全球正在努力自动化运动训练来降低医疗成本。机器人的能力提供强度高和可重复性的培训使他们非常有价值的助理工具来提供高质量的治疗以更低的成本和精力。这些系统还应该使用独立在家里允许病人进行治疗,而不是取代治疗师支持治疗计划。
这项工作已经43为下肢康复机器人系统进行了分析,其中超过一半尚未销售。此外,这些系统可以在市场还没有开发的应用程序。主要原因是高成本,缺乏高临床改善证据,需要治疗协议和评估标准。此外,当前系统有点笨重,移动系统仍然缺乏长时间供电的解决方案。
机器人系统的使用允许精确测量运动的运动学和动力学,应该用于评估病人的恢复能力和进步。然而,有必要开发标准协议和程序来获取可靠的评估数据。目前,患者恢复行走能力通常是量化采用临床措施如Barthel指数(80年]。关于机器人系统,步态行走速度和距离,罗,和许多其他动态措施已被用于评估。然而,没有一个标准化和广泛(临床)接受的方法。因此,大型临床试验需要确定临床标准的使用。
最后,临床研究仍显示小上级机器人治疗的有效性的证据,尽管所示的一个明显的好处是减少了治疗师的努力,时间和成本。已经表明,机器人康复和手动辅助训练可以有效恢复运动能力,但更高的好处应该是理想的传播在全球诊所使用。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突的存在。