气动助力医疗康复技术的现状及发展趋势.pdf

综述与展望 李小宁， 等 气动助力医疗康复技术的现状及发展趋势 气 动助力 医疗康 复技术的现状及发展趋 势 李小宁， 郭钟华 南京理工大学 机械 工程学院 ， 江 苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 随着人民生活质量的提高和卫生健康事业的进步， 气动助力 医疗康复技术在康复工程 中已展 现 了独特 的优 势和 广 阔的应 用前景 。从 气动助 力 医疗康 复的 医 学需求和技 术 需 求 出 发 ， 分析 了高柔顺性 气动驱动 器的设计要 求和主要 结构型式 ， 阐述 了气动 助力 医疗康复 系统 由 研究单一功能康复锻炼动作到实现较复杂康复训练要求的发展历程和现状， 展望了该技术向 生机 电气一体化 、 主从训练技术 、 远程操作和 网络服务 等方向发展的若干趋 势。 关键 词 医疗康 复 ； 气动驱动 器 ； 气动助 力 系统 中图分类号 T H1 2； T P 2 7 1 3 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 _ 5 2 7 6 2 0 1 2 0 3 - 0 0 0 1 - 0 5 Appl i c a t i o n o f Pne u ma t i c Re h a bi l i t at i o n Te c hn o l o g y a nd Co n t e mpo r a r y Re s e a r c h Tr e n d LI Xi a o ni ng，GUO Zh o n g． h ua S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r in g ，N a n j i n g U n iv e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o lo g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a Abs t r ac t Wi t h t h e i n c r emen t o f p e op l e l ivin g l e v e l a n d d e v elop men t o f med i c al e n t er pr i s e，t h e p n eu mat ic r eh a bil it at ion t e c h n olo gy h a s t h e s pe c if ic a dv a n t ag e in r eh a bil it a t i o n en gin ee r in g wit h wide ap plica t i o n a r e a．On t h e b a s i s o f med ic al a n d t e c hn i c a l r eq uire me n t s．t h i s s t u d y r e vie ws t h e de v e l o pmen t o f c o mpli a n t p n eu ma t ic a c t u a t o r s an d t h e pn e uma t i c r e ha b i l it a t ion s y s t em．Fr om t h e f o r me r r eh a bil it a t ion d e v i c e wi t h t h e s i n gle e x er c ise ac t ion t o c ur r e n t r e h ab i li t io n s y s t em of c omp l e x f u n c t io n，t he p n eu ma t ic r e ha b i l it a- t ion t e c hn o log y is t h e i mp ofl an t a pp r oa c h i n r eh a bil it i o n en g i n e er i n g n o wa d a y s．Co n t empo r ar y r es e a r c h t r en d i s a l s o d i s c u s s e d in t h e r e s e ar c h f ield s l i k e biolog ic al e l e c t r o me c h an ic al p n eu mic s，ma s t e rs la v e t r ainin g t ec h n olo g y a nd r e mo t e s e wic e s wit h i n t er n e t n e t wo r k ． Ke y wor dsme d i c al r eh a bil it a t i o n，pn e uma t i c a c t u at o r ，p n eu ma t ic r e h ab i li t a t io n s y s t em 0 引言 随着工业化的推进和经济的发展 ， 人民物质生活逐渐改 善， 卫生健康事业迅速发展， 人们对医疗保健的需求大大提 高， 服务于人民医疗健康 、 服务于老龄化社会康复需求 等方 面的要求也越来越强烈 。 。例如， 伤残病人需要功能更齐 全的引导康复器件来帮助提高生活品质、 需要助力设备来搬 运重物 ， 而健康人使用助力保健设备不易造成腰肌劳损等疾 患、 维护身体健康。因此 ， 助力医疗康复技术 的发 展有益于 人民生活品质的提高和卫生健康事业的进步。 随着助力医疗康复技术的发展， 医疗康复器械的产值 迅速增加。在发达国家 ， 康复医疗器械是医疗器械的重要 领域之一。以日本为例 ， 需要借助辅助器械行动的人数已 超过 1 0 0万人 j 。到 2 0 2 5年 ， 仅 日本康 复型 机器人 的产 值就将逾 1 ． 4兆 日元， 约合人 民币 1 ． 1 亿元 。在我国， 基础器械占据了医疗器械绝大部分份额 ， 康复型医疗 设备设计制造能力有限。不仅如此， 我国现有的康复医疗 器械多为电动机和机械结构， 由电动机带动传动机械运 动 - -， J ， 柔顺性欠佳 ， 且器械难 以与 躯体 良好贴合 J ， 锻炼 效果有待提高。因此， 为了促进我国助力医疗康复技术的 发展 ， 研究气动柔性助力康复技术是重要任务之一。气动 助力医疗康复设备采用压缩空气驱动， 弥补电动机和机械 传动方式的不足， 具有安全可靠、 价格低廉、 轻便、 节能等 优点 ， 而气动驱动的高度柔顺性更接近于生物驱动， 在 康复工程中有良好的应用前景 。本文从气动助力康复 医疗的需求出发， 分析和阐述气动助力康复医疗技术的研 究 现状 ， 展望 该技术发展趋势 。 1 气 动助 力 医疗 康 复的 医学及 技术 需求 1 - 1医学 需求 现代医学研究表明， 康复锻炼对肌肉功能重建、 肢体关 节功能恢复和促进患者自主康复有良好的辅助治疗效果。 康复锻炼能促进肌肉功能重建。临床和实验研究表 明， 肌肉与肌腱结缔组织的愈合过程经过损伤期、 修复再 作者简介 李小宁 1 9 5 7一 ， 男 ， 四川遂 宁人 ， 现任 南京理 工大学机械工程 学 院副 院长 ， 教 授 ， 博士生 导师 ， S MC南京气动 技术研究 中心 主任 ， 中国自动化学会制造技术专业委员会副 主任 ， 中国机械工 程学会流体 传动与控制 分会气动技术 专业委 员会委 员 ， 江苏 省机械工程学会常务理事 ， 南京市机械工程 学会 副理事长 。长期从事 机 电控 制技术 、 流体传 动及控制技 术等领 域的研 究工 作， 科研成果获省部级科技进步二等奖 1 项、 三等奖2项。在国内外学术杂志上发表论文 1 1 0余篇， 其中被 S C I ， E I 收录 l O余 篇 ， 出版专著有 液压噪声控制 、 柔性制造 系统建模及仿 真 和教材 自动化控制 系统。 Ma c h in e Bu i l d i n g目 Au t o m a t i o n ， J u n 2 0 1 2 ， 4 1 3 ，～5 综述与展望 李小宁， 等 气动助力医疗康复技术的现状及发展趋势 生期和重塑期三个阶段， 其中肌肉纤维细胞的附着、 增殖、 蛋白质合成及胞外基质形成是肌腱修复和重塑的重要过 程。安全保护下的早期康复训练能辅助肌腱锻炼 ， 调节肌 腱松弛程度和肌力， 促进肌腱本身腱细胞 的生长， 促进肌 腱的愈合 ， 对患者肌肉功能重建、 缩短治疗时间有积极意 义 。不仅如此， 康复锻炼能增加肌肉中的供氧量和肌 肉中开放的毛细血管数量 ， 增 大毛细血管 的管径并产生新 的毛细血管， 增加肌肉中的血流量， 提高肌肉新陈代谢的 水平， 促使人的肌原纤维增粗、 肌肉收缩能力增强 。 康复锻炼还能辅助肢体关节功能恢复。由于外伤引 起的关节功能障碍会造成关节组织粘连、 关节僵直、 屈曲 受限。病案资料表明， 对 比观察关节屈伸锻炼者与保守治 疗未进行功能锻炼的患者。实现康复锻炼患者的关节活 动度和骨密度品质好于保守治疗的患者 ， 且减少粘连和废 用性肌肉萎缩 ， 促进血液循环、 促进伤E l 和骨折愈合 。 经过有效的康复锻炼， 并结合生物医学工程技术， 实 现主动治疗 ， 促进患者 自主康复。为了预防继发障碍， 提 高病人的生活品质， 医务人员提出基于生物反馈的智能化 神经康复治疗。对脑卒中、 脑外伤等中枢神经系统疾病导 致的四肢瘫痪、 偏瘫、 半瘫等病人 ， 利用患者自己的肌电信 号反馈 回中央控制台， 根据肌电信号的强弱对人体受损肌 肉进行 适度刺激 ， 促进 脑的可 塑性 的发展 ， 从 而恢复 偏瘫 肢体的功能 。对于肌肉和关节功能受限的病人， 随着 患者肢体机能逐渐康复， 锻炼部位肌电流逐渐增强， 需要 由被动锻炼阶段逐步过渡到主动锻炼阶段。 1 ． 2 技术需求 为了满足气动助力医疗康复的医学需求， 分析气动助 力医疗康复的技术需求并总结为以下五个方面 1 在直线往复区间和一定转角的转动范围内持续引 导患者进行肌肉拉伸与收缩、 关节屈伸等康复训练。 2 适度控制康复锻炼的运动速度和力度， 实时采集 传感器数据 如速度 、 转角 、 力等 。 3 引导过程中应尽量 具有柔 顺型 ， 其强 度要有 一定 的 自适应性。要求气动驱动器质量轻、 穿戴方便、 安全性 高、 柔顺性和灵活性好 1 6 -1 7 ] ， 能适应不同患者的不同锻炼 要求 。 4 为了满足患者不同锻炼阶段对锻炼强度的不同要 求， 早期用康复器械施力引导患者作康复锻炼 ； 后期则以 患者自主康复为主， 此时根据患者的自主锻炼能力驱动康 复器械被动施加负载力 J 。 5 为了克服依据患者主观感受而设置训练强度的局 限性， 客观评价训练效果和肢体机能恢复状态 ， 测量患者 锻炼部位的表面肌电信号， 根据肌电信号的大小判断肢体 功能恢复程度， 从而控制输出电刺激的强弱和调节康复锻 炼的力度 。 2 气动助力医疗康复技术研究现状 2 ． 1 气动驱动器研究现状 气动驱动器是气动助力康复训练系统的核心部件， 气 动助力医疗康复训练中的助力装置都需要气动驱动器来驱 动。主要采用的气动驱动器有气缸、 人工肌肉等形式。气 缸是最早应用于康复训练设备的气动驱动器。在许多需要 实现直线运动的康复器械中得到应用。但由于气缸本身属 刚性元件， 在一些和人接触比较紧密的应用场合中， 仍然存 在一些不安全 因素 ， 此时采用人工肌肉更为安全 。 2 0世纪 5 0年代 ， 美 国医生 J o s e p h L ． Mc K i b b e n发明了 一 种驱动假肢运 动的气 动执行元件， 就是通常所说的 Mc K i b b e n气动人工肌肉。它是由内部的橡胶管及外部 的 编织网构成 ， 充气后可以实现径向的膨胀和轴向的收缩。 与常规气缸相比， 气动人工肌肉有很大的初始拉伸力， 当 收缩运动时， 拉力减小， 这使得它可以获得很大的加速度 同时平稳 的达 到 目的位 置 。 作为一种新型的拉伸执行元件， 气动人工肌肉的运动 方式与力／ 长度特性酷似生物肌肉， 因此作为术后辅助康 复训练， 具有独特的优势， 能以最接近人体肌肉运动的方 式来驱动关节进行活动。与传统的机械一 电动机结构康复 机械相比， 气动人工肌肉的固定更加安全可靠， 它可以更 加方便地固定在患者受术关节周围， 贴合度更好。而且， 气动人工肌肉柔性好， 刚度较低且可调 。随着疗程的 推进， 调整拉伸力， 最大程度为患者肌力的恢复创造条件。 采用 Mc K i b b e n型人工 肌肉 ， 美 国佐治 亚州立 大学 的科 研 人员研制了家用手部治疗装置， 驱动手部关节运动 ， 使中 风患者在家就可随时进行康复锻炼 ， 华盛顿大学生化 机器人实验室则将它应用于医学假肢中。虽然 Mc k i b b e n 型人工肌肉已有广泛应用， 但 由于受到充气容积的限制 ， 其输 出力和变形量均较小 。 由于 Mc k i b b e n型人工肌 肉难 以满足 推力 和大行程 输 出的要求 ， 滕燕等研究并开发 了新 型推力 大行 程气 动柔 性 驱动器 ， 如图 1 所示 。利用扁平 弹性管 的螺旋叠加结 构实 现 了柔性驱动器 的大行程及推力驱动 J 。 t F 图 1 螺旋型人 工肌 肉断面示意 除了Mc k i b b e n型人工肌肉和螺旋型人工肌肉， 科研 人员还研制出球形气囊式人工肌肉和条型气囊式人工肌 肉。基于手指的康复锻炼， 德 国科学家研制了球型气囊。 它利用气囊充气膨胀的原理实现弯曲运动。如图2所示， 充气后气囊膨胀， 带动板件转动 ， 从而带动关节弯曲。由 于没有金属装置， 因此小巧轻便、 使用安全 。与 M c k ． i b b e n型和螺旋形肌肉相比， 其驱动形式更为灵活。另一 种气囊为长条型， 如图 3所示 ， 充气后能够实现大幅度弯 曲运动。采用长条型气囊美国和日本的科学家分别研制 了手部康复训练装置 和上肢康复训练装置 J ， 将气囊 附着在手指或上肢，可以实现较大幅度的弯曲动作 ， 辅助 病人恢复关节功能。 2h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． C B 机械制造与 自动化 综述与展望 李小宁， 等 气动助力医疗康复技术的现状及发展趋势 参 考文献 [ 1 ]何立宏 ， 单乐群 ， 张明华．膝关节镜术后持续被动活动对膝关节 功能康复的作用 [ J ] ．中国康复医学杂志， 2 0 0 7 ， 2 2 1 4 0 ． [ 2]孙春瑞 ，刘 玲玲 ，史艳 敏．下肢 骨折 术 后患 者 的康 复训 练 [ J ] ．河北医药 ， 2 0 0 3 ， 2 5 8 6 2 8 ． [ 3 ]邵菲 ， 杨辉 ，刘平．早期 康复治疗对全膝 关节置换 术后功能 的影 响[ J ] ．实用医技杂志 ， 2 0 0 7 ，1 4 5 5 3 8 - 5 3 9 ． [ 4]小林 宏．Mc k i b b e n型人 工筋 肉 老用 、 允人 同老物理 的 I 二 支 援寸 为口水 y 技 衍 [ J ] ．日本 7， L ， 一 F， 一 三 ／ 叉于厶学 会 蒜 ， 2 0 0 8 ， 3 9 6 l 1 - 1 5 ． [ 5 ]高岩昌弘． 空氖庄 、／7 力 厶 电用 、 人 嗣规和型 口 水 y J ] ． 日本7， 一 卜， r 7一 灭于 厶学会 ， 2 0 0 8， 3 9 6 1 6 1 9 ． [ 6 ]范德增． 我国医疗器械产业发展机遇与挑战[ J ] ．中国医疗 器械信息 ， 2 0 0 8 ，1 4 2 6 0 - 6 4 ． [ 7 ]胡兆燕 ，程云章 ，龚德利．下肢关节功 能康复训 练器的研制 [ J ] ．中 国医疗器械杂志 ， 2 0 0 0， 2 4 4 2 1 4 - 2 1 5 ． [ 8 ]孙建东 ， 金德闻．一种 下肢被动运动康复训练器 [ J ] ．中国康 复医学杂志 ， 2 0 0 1 ， 1 6 5 2 9 8 - 2 9 9 ， 3 1 7 ． [ 9 ]王兆霞 ， 李峥．持续性 被动运动在全 膝关节 置换术 后康复运 动中的应用 [ J ] ． 中国实用护理杂志 ， 2 0 0 7， 2 3 2 2 9 - 3 0 ． [ 1 O ]王生泽 ， 金韬 ．一种气动驱 动新型上 肢康 复机器人 [ J ] ． 机 械设计 与制造 ， 2 0 1 1 ， 3 1 6 5 1 6 7 ． [ 1 1 ]隋立明， 张立勋． 气动技术在康复领域中的应用[ J ] ． 液压 气动与密封 。 2 0 0 6 ， 4 3 3 - 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P S I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n F l u i d P o we r ， T o y a ma 2 0 08 7 8 7 - 7 9 2． [ 3 0 ]K e i t h E G o r d o n a ，G r e g o r y S S a w i c k i a ，D a n ie l P F e r r i s ．M e e h a n i e a l p e rfo r ma n c e o f a r t ific i a l p n e u ma t i c mu s c l e s t o p o we r a n a n k l e - f o o t o r t h o s i s [ J ] ．J o u rna l o f B i o m e c h a n i c s ，2 0 0 6 ，3 9 1 8 3 2 ． 1 8 41 ． [ 3 1 ]E J K o e n e ma n l ，R S S c h u h z l ，S L Wo l f ，e t a 1 ．A P n e u ma t i c Mu s c l e H a n d T h e r a p y D e v i c e [ C ] ．P r o c e e d i n g s o f t h e 2 6 t h A n n ua l I n t e rn a t i o n a l Co n f e r e n c e o f t h e 1 E EE EMBS， 2 0 0 4 2 7l 1 _ 2 71 3． [ 3 2 ]X U W L， B ron l u n d J E， P o t g i e t e r J ． Re v i e w o f t h e h u m a n ma s - t i c a t o ry s y s t e m a n d m a s t i e a t o r y r o b o t i c s『 J ] ．Me c h ani s m a n d Ma c h i n e T h e o r y，2 0 0 8， 4 31 3 5 3 - 1 3 7 5． [ 3 3 ]“ 肌 肉装 ” 让人举重若轻 [ N] ． 参考 消息 ， 2 0 1 2年 4月 2 7 日 第 7版 ． [ 3 4 ]H i r o s h i K o b a y a s h i ， H i d e t o s h i S u z u k i ．A Mu s c l e S u i t fo r t h e U p p e r B o d y [ C] ． 2 0 0 5 I E E E Wo r k s h o p o n A d v a n c e d R o b o t i c s a n d i t s S o c i a l I mp a c t s 1 4 9 1 5 4． [ 3 5 ]N a t a s a K o c e s k a ，S a s o K o c e s k i ，P i e r l u i g i B e o mo n t e Z o b e l ，e t a 1 ．P n e u ma t i c a l l y Ac t u a t e d Ex o s k e l e t o n F o r Ga i t Re h a b i l i t a t i o n [ c ] ．P r o c e e d i n g o f t h e 8 t h J F P S i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n fl u i d p o we r ，Ok i n a wa 2 0 1 14 3 - 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