一种用于偏瘫患者的减重多态康复训练评定系统的设计

徐秀林 邹任玲 陆蓉蓉 李 放 赵 展 吴 毅*

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）2（复旦大学附属华山医院，上海 200040）

引言

目前，肢体残疾和脑卒中患者最有效的治疗手段是借助仪器做反复的肢体训练和平衡功能锻炼。通过反复的训练，可以改善人的肢体功能，提高人体的平衡能力，以使患者防止足下垂和足内翻，纠正患者下肢用力不均、步态异常和身体平衡性差等缺陷，提高人的站立和行走能力［1］等。通过对患者训练效果的检测评定，可对确定进一步的治疗方案提供帮助。然而，目前大多数康复训练仪功能单一，其使用范围受到很大的限制，且多数仪器都只适用于主动性训练，要求病人有较强的动作协调能力，对于重症肢体活动能力差的患者，则无法进行多功能训练和测试。同时，由于脑卒中患者常伴有高血压、心脏病等疾病，需在其体重减负的情况下进行训练。因此，设计在减重状态下集主动和被动训练方式、静态平衡功能评定于一体的多功能康复评定训练仪，是临床上迫切需要解决的问题。

目前，国内外已对康复机器人有所研究，部分产品已问世。例如，瑞士HOCOMA医疗器械公司与苏黎士Balgrist医学院康复中心合作推出LOKOMAT康复训练机器人［2］，采用悬吊减重方式对下肢功能进行训练，虽然功能较为全面，但其动力学模型较为复杂，控制难度较大。意大利罗马La Sapienza大学研究了一种步行辅助康复设备（walking assistance and rehabilitation device，WARD）［3］，虽然运动惯性冲击较小，控制较容易实现，但由于采用气阀控制，实时响应能力受到限制。比利时布鲁塞尔Vrije大学研制了一种可调式康复训练设备［4］，采用气囊式人造肌肉作为驱动装置，通过充、放气来实现气囊膨胀缩短或收缩伸长，带动外骨骼式机械腿的大小腿摆动，从而牵引患者的肢体运动，这一设计更接近人体的真实运动情况，系统柔性较好，但较难实现。近几年来，国内对康复训练设备的研究越来越重视，清华大学、上海大学、哈尔滨工程大学已研制出各自的康复训练机器人［5-6］，总体来说，结构都比较复杂和庞大，质量较大，临床应用较少。

国内外学者对站立平衡的训练及测试评定方法也已有较多报道［7－10］，但是大多数都是患者在保持重心位置不变的状态进行的，患者没有主动参与控制重心运动的过程。而人体的各种动作，尤其在站、立、行过程中包含了主动控制重心运动的过程［11－12］，因此在站立状态下，如何进行有效的重心控制训练，并对训练过程的平衡能力进行测试和分析，具有重要意义。

本研究的目的在于：设计一种能在任意倾斜角度减重的状态下进行下肢功能训练和平衡功能评估、用于偏瘫患者的多功能康复训练评定系统。该系统可对患者进行主动、被动训练、下蹲站起平衡和静态平衡功能评定，能实现静态、主动和被动屈伸运动状态下的人体运动学和生物力学的多参数检测，为临床制定康复治疗方案提供科学的实验数据，具有重要的临床应用价值。

1 系统主要功能

根据临床需求，确定该康复训练评定系统的主要功能指标，包括训练功能和测试评定功能，主要功能及技术指标见表1。

1.1 减重功能

躯干和下肢承重能力下降是导致行走困难的重要原因，不同程度地减少身体体重以减少下肢负荷的减重训练（partial weight support，PWS）是一种有效的康复治疗方法［13－14］。为了对支撑能力不足的患者进行早期的各种步行训练，本设计采用不同倾斜程度的床体来实现减重。根据安装在床体上的角度测量装置，可精确地计算出减重的大小，训练时病人躺在训练床上，根据不同的需求选择不同的倾斜角度进行减负训练，床体倾斜角度可在0～90°之间调节。

表1 多态康复训练评定仪的技术要求Tab.1 The technical requirements of multi-function rehabilitation training and assessment system

1.2 训练功能

该训练仪能实现双腿被动同步屈伸和双侧交替屈伸的被动态训练，双腿屈伸速度可在30～90次/min范围内任意调节，脚板移动距离可在0～380 mm范围内调节。双腿同步屈伸模拟人体下蹲站起功能，双侧交替屈伸模拟人体行走步态，被动双侧同步屈伸和被动双侧交替屈伸均可设定训练周期和训练速度；当床身倾斜至90°时，患者可进行下蹲站起的主动训练和静态平衡能力训练。同时，系统可实时检测出患者在训练过程中的运动速度、运动时间、足底压力等参数，并进行其相关性分析。

1.3 评定功能

在针对不同方式训练后，可对患者在主动下蹲站起和静止状态下进行相应的平衡功能测试和评估，测试评估的参数有：额状面摆动频率、平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心移动轨迹总长度、重心移动轨迹总面积、额状面侧方摆速以及足底压力随时间的变化规律（时间－压力曲线）等。

2 结构设计

本研究设计了用于偏瘫患者的减重康复训练测试系统，其结构由训练床主体、主控计算机、控制箱、患者显示装置和主显示装置组成，总体结构见图1。训练床的床体能在0～90°范围内倾斜，以满足患者在任意倾斜角度减重的需要。该训练系统集成了主动和被动训练方式，对人体腿部肌肉骨骼系统进行综合康复训练和静态平衡康复评定，实物如图2所示。

图1 减重多态康复训练评定系统总体结构（1－底框，2，3－直线步进电机，4－可伸缩脚轮地脚座，5－脚轮手柄，6－连接轴，7－控制箱，8－角度显示器，9－床面支架，10－床板，11－腿部支架，12－脚踏板，13－脚踏板支架，14－患者显示器，15－脚轮，16－床面回转机构，17－主控计算机）。（a）患者显示器；（b）训练床；（c）主控计算机Fig.1 Structure of body weight loss multi-function system for rehabilitation training and assessment.（1－base，2，3 － linear stepper motor，4－ block feet retractable casters，5 － casters handle，6 － connecting shaft，7 － control box，8 － angle display，9 － bed frame，10 － bed board，11 － leg support，12 － pedal，13 － pedal bracket，14 － patient monitor，15 － casters，16 － bed hoister，17 － computer）（a）monitor for patients；（b）training bed；（c）computer

训练床由主体底座、床架、背板、双侧下肢支架与脚踏板组成，脚踏板下装有足底压力传感器。床板与床架之间装有滑动导轨，以供患者主动下蹲站起训练时床板在床架上滑动。

图2 减重多态康复训练评定仪实物Fig.2 Body weight lossmulti-function system for rehabilitation training and assessment

①底座：由底框和4个带有自锁的脚轮及可伸缩脚轮地脚座组成。

②床架：由床面水平支架和床面回转机构组成，在床架电机驱动下可作0～90°的旋转，其旋转角度的大小由角度显示器显示。

③床板：床板和床架之间安装有导轨（滑槽），两侧有搁手板，床板可沿床架滑动，床板滑行后可自行复位。

④下肢支架：由长度可调的下肢滑杆和髋、膝、踝3个关节转轴及脚踏板组成。脚踏板下安装有压力传感器，用于检测足底压力；大小腿支架滑杆之间的膝关节转轴上安装有角度传感器，用于实时检测被动训练时的腿部运动角度。

⑤足踏板压力传感器装置：传感器安装在脚踏板支架内，分左右两侧并置。由传感器支撑体、脚前掌受力元件、脚后掌受力元件、应变电阻和调理电路板组成。足底压力传感器可实时检测患者在训练或功能评估时足底压力的大小，见图3。

⑥动力装置：在床板下并行安装有两个直线步进电机，用以驱动脚踏板做往复运动。当患者做被动运动训练（passive training）时，由电机驱动的下肢支架带动患者的下肢做被动运动。根据双腿同步及交替屈伸运动的自由度特点，采用两个步进电机独立驱动，通过螺纹传动分别驱动单只脚运动；根据两个电机驱动的时序不同，又可以实现腿部的交替屈伸（两只电机交替驱动）、同步屈伸（两只电机同时驱动）的被动式训练功能。为了防止出现机械的死点以及仿生膝关节，采用了不同转动中心的二连杆作腿部支撑［15－16］。另外，通过调节图中的大腿及小腿支架的长度，通过软件控制脚部的行程，可以满足不同身高患者的训练要求。

图3 足底压力测试装置Fig.3 Plantar pressure testing device

图4 足底压力传感器结构Fig.4 Plantar pressure sensor structure

3 足底压力测试装置设计

本设计的足底压力测试装置如图3所示，由脚踏板、压力传感器及传感器安装组件组成，每个脚踏板安装有2个传感器，每个传感器的量程均为100 kg，精度为0.5％。传感器之间通过调理电路连接，传感器的安装位置如图4所示，分布于脚掌和脚跟处，分别安装在脚踏板下方的支架上。脚踏板具有两种工作状态：一种是通过与之相连的下肢支架带动患者下肢做被动运动，即脚踏板通过连接轴在电机的驱动下带动患者下肢做往复同步屈伸或交替屈伸的运动，对患者进行训练；另一种是当床身旋转至垂直位置时，脚踏板处于水平位置，患者站在其上做主动下蹲站起训练运动或静态平衡测试。双脚4个传感器分别与传感器接口电路连接，通过数据采集装置（研华PC1710）将信号传递至计算机，由主控计算机进行处理和相关信息的输出。

该压力测试装置的传感器采用应变式压力传感设计原理，应变片采用膜片式弹性元件。图5所示为该膜片式压力传感器的示意图，应变片贴在膜片内壁，在压力 p的作用下，膜片产生径向应变 εr和切向应变εt，表达式分别为

式中，p——膜片上均匀分布的压力；

R，h——膜片的半径和厚度；

x——离圆心的径向距离；

u——材料的泊松比，采用钢结构，取值0.285；

E——材料的弹性模量。

由图5（a）可知，膜片弹性元件承受压力p时，其应变变化曲线的特点为：当x=0时，εr，max=εt，max；当x=R时，εt=0，εr=－2εr，max。

图5 传感器内部结构。（a）应变变化；（b）应变片粘贴位置Fig.5 The internal structure of sensor.（a）strain variation diagram；（b）location of strain gauges

在平膜片圆心处切向贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。

4 控制系统设计

系统采用计算机实现中心控制，由两个显示屏（主显示屏和患者显示屏）进行显示，其中主显示屏放置在操作台上，如图1（c）所示，供医护人员使用。患者显示器位于患者训练时的前方，如图1（a）所示，便于患者观察训练过程中脚底受力大小的变化及趣味训练界面等。

下肢运动采用足底驱动方式。左、右脚运动由常州海顿直线电机有限公司生产的E87H4Z-05-018型两个直线步进电机驱动，床身的旋转由浙江新昌医疗器材设备有限公司生产的JC-35C型电动推杆驱动，3个电机均安装于床身下方。在床身底座上安装有控制箱，控制箱内设有传感装置接口电路、电机驱动模块和电源模块，电源模块分别为传感装置接口电路和电机驱动模块提供电源；电机驱动模块分别与床板角度调节机构、左下肢和右下肢支架移动机构中直线步进电机的电信号相连，传感装置接口电路与足底压力电信号相连。控制箱7安装于床体的底座上（见图1）。

为了保证系统的安全性，训练时用安全带将患者固定于床上，同时按照GB9701.1的要求，在训练床上安装限位装置和急停开关，以保证紧急状态下使训练系统迅速停止。

主控计算机集成了数据采集装置以及运动控制装置，足底压力信号经过信号滤波及放大进入数据采集装置（研华PC1710），由主控计算机进行处理并将相关信息输出。急停、限位等开关信号直接进入采集装置，用于控制运动过程中的紧急停止。计算机集成双轴运动控制装置（研华PCI1420U），通过电机驱动控制模块，控制左右脚踏板，实现患者双侧同步屈伸、双侧交替屈伸运动以及单腿屈伸训练等；计算机通过运动控制模块，驱动床板角度调节机构中的直线步进电机，使床板能在0～90°间任意倾斜，实现对患者不同程度的减重。控制系统结构框图见图6。

图6 控制系统结构Fig.6 Diagram of control system

5 结果

通过自编的专用软件（版本号：HLX-1a），实现对足底压力、关节角度等信号的采集和处理，并能实时显示各参数的变化情况，图7为正常人受试者下肢不同运动状态下的足底压力随时间的变化规律，其中（a）为下蹲站起主动训练时的足底压力随时间的变化曲线，（b）为双腿交替曲伸被动运动时的足底压力随时间的变化曲线。

图7 正常人受试者在不同训练状态时的足底压力信息。（a）下蹲站起时左右足底压力曲线；（b）双腿交替屈伸时足底压力曲线Fig.7 Training status of normal subject.（a）the plantar pressure in squat and stand up；（b）the plantar pressure curve in alternating flexion and extension legs

根据足底压力传感的数据信息，实现了对患者静止状态、主动运动及被动运动状态下运动学参数的测试和评估，评估的参数有：额状面摆动频率、平均重心、额状面最大摆幅、额状面平均摆幅、重心移动轨迹总长度、重心移动轨迹总面积、额状面侧方摆速等。图8为受试者被动双侧同步屈伸运动时的多参数显示界面，左侧两个柱状图为左右脚的压力实时显示值，右侧为人体运动学各参数。

当床身旋转至90°时，康复效果较好的患者可做下蹲站起主动运动训练，系统可获得主动运动状态下人体的有关动态参数。图9为主动双侧同步屈伸时（主动下蹲站起）正常人受试者的运动状态图，其中：上图显示左右脚的压力随时间变化曲线，下图显示重心位置随时间变化的曲线；从上到下代表重心位置从左脚移动到右脚（整个区间），中间为平衡位置；不同颜色的线条之间的间距代表不同的重心百分比，与右边百分比显示相对应。良好重心百分比是指重心落在5％区间内的比例，计算方法是：落在5％内的采样数据数量除以总的采样数据数量，再乘以100％。根据患者重心的良好百分比，可以判断患者的平衡能力，为临床诊断提供依据。

图8 受试者被动双侧同步屈伸运动时的多参数显示界面Fig.8 Multi-parameter display interface of bilateral simultaneousflexion and extension movement of the testees

图9 受试者主动双侧同步屈伸运动时的运动状态（上图为足底压力随时间的变化规律，下图为人体重心良好百分比程度）Fig.9 Bilateral simultaneous flexion and extension movement active movement state diagram of testees（the picture above illustrates plantar pressure variation with time；the picture below shows degree of the percentage of a good body center of gravity）

6 系统的可靠性测试

6.1 受试对象

本试验受试对象为健康成年人45名，其中男性13名、女性32名。入组标准：无认知障碍、无视力障碍、无平衡障碍。排除标准：神经肌肉系统及肌肉骨骼系统的疾病，如卒中后、帕金森病；有不稳、眩晕、感觉功能缺失等症状；患有其他可能引起平衡异常的疾病；关节炎；未能纠正的视力障碍；体位性高血压者；服用镇静药、安眠药、抗焦虑药、抗抑郁药者。

6.2 评定指标

由1名熟练的康复医师操作多态康复训练评定系统，对受试者进行静态平衡参数的测定，所测定的静态平衡参数包括对称性参数和稳定性参数。其中，对称性参数为平均重心（average center of gravity，COG），稳定性参数包括额状面平均摆幅（mean sway in frontal plane）、额状面最大摆幅（maximum sway in frontal plane）、重心移动轨迹总长度（cover length）、重心移动轨迹总面积（cover area）、额状面侧方摆速（velocity in frontal plane）。评定分为两次进行，第二次评定在第一次评定后7天进行，以评定系统的可靠性。

6.3 试验方法及结果

试验前先向受试者说明试验目的和注意事项，以得到受试者的充分配合和理解。当床体旋转至垂直位置时，受试者站立于脚踏板上，身体不与床面接触，两眼平视前方，尽量将重心控制在两足间，两脚均匀承重，尽量控制身体，以减少前后左右摇摆。

保持试验环境安静、通风，环境光线适当，视觉环境良好，尽量减少噪声和无关人员的干扰，叮嘱受试者放松心情。试验前询问受试者年龄、身高、体重等信息，并加以记录。

数据采集分为两次进行，在第一次采集数据后7天进行第二次数据采集，保持两次试验环境相同。该训练系统的可靠性（重复性）试验结果如表2所示，可见受试者的对称性参数和稳定性参数的组内相关系数（ICC）均大于0.7，证明多态康复训练评定系统的可靠性良好。

表2 静态平衡对称性参数和稳定性参数的测试结果Tab.2 The test results of the symmetry and stability parameters when the static balance

7 结论

本研究设计的背部减重多态康复训练评定系统，通过调节训练床的旋转角度进行不同程度的减重，避免了目前市场上康复机器人采用的悬吊减重使患者不舒适和结构复杂等缺点，悬吊减重方式不能根据患者病情对减重量的大小进行调节，其应用范围具有很大的局限性。本研究设计的系统集训练功能和评定功能于一体，与以往报道的康复机器人相比，具有体积小、结构优化、功能全面等优点。该系统能实现使脑卒中等疾病患者以患病早期腿脚功能很差时的被动训练过渡到功能逐渐恢复后的主动训练。此外，该系统还具有人体运动学和生物力学多参数实时检测功能，可以精确获得人体静态平衡和各运动状态的运动学和力学参数，从而对病人各阶段的康复状况进行科学的定量分析，为临床诊断和制订康复治疗方案提供科学的依据。

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