基于氣動(dòng)肌肉外骨骼和功能性電刺激的肢體康復(fù)技術(shù)研究.pdf

1、因神經(jīng)損傷導(dǎo)致肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者日益增多。這將給家庭和社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，而康復(fù)訓(xùn)練能讓癱瘓患者重新獲得日常生活自理能力。以神經(jīng)可塑性為理論依據(jù)的肢體康復(fù)，從最初的人工康復(fù)發(fā)展成為康復(fù)醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程、電子工程和控制理論為一體的智能康復(fù)?？祻?fù)機(jī)器人和功能性電刺激是臨床上兩個(gè)主要的肢體智能康復(fù)技術(shù)。本文將康復(fù)機(jī)器人和功能性電刺激兩種智能康復(fù)技術(shù)有機(jī)組合，探索肢體智能康復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新途徑。
　　可穿戴五自由度上肢外骨

2、骼康復(fù)機(jī)器人RUPERT具有重量輕和造價(jià)低的特點(diǎn)。其各關(guān)節(jié)由一根具有內(nèi)在柔順性的人工氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)，是針對(duì)因上肢屈肌的肌張力過(guò)高而導(dǎo)致伸展運(yùn)動(dòng)障礙的一類(lèi)患者研制的。為了擴(kuò)大RUPERT的使用范圍，并使其普及到軟癱期患者，作者對(duì)氣動(dòng)肌肉和神經(jīng)肌肉電刺激進(jìn)行建模，使用氣動(dòng)肌肉和電刺激的癱瘓肌肉形成雙向?qū)?，并利用迭代學(xué)習(xí)控制的方法實(shí)現(xiàn)伸展輔助運(yùn)動(dòng)。
　　手功能康復(fù)訓(xùn)練可以幫助患者恢復(fù)抓握功能，對(duì)患者的日常生活有著重大意義。患者主動(dòng)參與訓(xùn)

3、練相對(duì)被動(dòng)訓(xùn)練更能促進(jìn)手功能康復(fù)。作者借助研制的陣列電極，并通過(guò)掃描搜索方法尋找陣列電極的最佳刺激靶點(diǎn)，通過(guò)刺激較小的手指肌肉實(shí)現(xiàn)大力抓和釋放的手功能活動(dòng)。表面肌電信號(hào)能體現(xiàn)患者主動(dòng)意圖，而電刺激下表面肌電信號(hào)被刺激瑕疵和M波淹沒(méi)。作者使用梳齒濾波器和空窗等技術(shù)提取主動(dòng)表面肌電，實(shí)現(xiàn)上肢伸展和主動(dòng)抓握訓(xùn)練。
　　康復(fù)機(jī)器人可以替代康復(fù)治療師對(duì)患者進(jìn)行智能輔助，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)提供客觀和定量的評(píng)價(jià)。然而康復(fù)機(jī)器人治療的有效性

4、仍存在爭(zhēng)議。本文通過(guò)臨床試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證五自由度RUPERT上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的有效性?？祻?fù)治療師對(duì)患者訓(xùn)練前后的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估和作者對(duì)RUPERT試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，表明RUPERT上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人是安全的。在家庭環(huán)境訓(xùn)練中進(jìn)一步證明了該康復(fù)機(jī)器人具有良好的應(yīng)用效果。臨床試驗(yàn)讓大多數(shù)患者上肢運(yùn)動(dòng)功能得到改善，但有效性缺乏統(tǒng)計(jì)意義上的臨床顯著差異。
　　對(duì)于肢體癱瘓的患者來(lái)說(shuō)，下肢功能康復(fù)同等重要。本文研制了一款低造價(jià)應(yīng)用于髖膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)

5、練氣動(dòng)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人。氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的外骨骼機(jī)器人是一個(gè)高度非線(xiàn)性系統(tǒng)，這會(huì)造成步態(tài)跟蹤控制的困難。作者先采用滑模代理控制算法(PSMC)對(duì)下肢外骨骼進(jìn)行控制。PSMC不依賴(lài)模型，在位置誤差過(guò)大時(shí)能產(chǎn)生慢速過(guò)阻尼作用，避免高的角速度和力過(guò)度飽和。早期被動(dòng)步態(tài)訓(xùn)練有利于患者自然步態(tài)模式訓(xùn)練，對(duì)跟蹤精度要求高。為了進(jìn)一步提高步態(tài)訓(xùn)練跟蹤精度，一種抖振減弱魯棒滑?？刂扑惴?CRVC)應(yīng)用到下肢外骨骼步態(tài)訓(xùn)練控制上。CRVC跟蹤精度優(yōu)于PS

6、MC，但CRVC需要建立復(fù)雜模型。
　　神經(jīng)損傷患者的踝關(guān)節(jié)會(huì)出現(xiàn)足下垂等運(yùn)動(dòng)功能失調(diào)。如果上述的髖膝外骨骼機(jī)器人再集成踝關(guān)節(jié)動(dòng)力裝置，下肢外骨骼結(jié)構(gòu)會(huì)變得復(fù)雜并且重量會(huì)增加。作者研究了功能性電刺激應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)的康復(fù)技術(shù)，對(duì)踝關(guān)節(jié)跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)進(jìn)行神經(jīng)肌肉電刺激動(dòng)力學(xué)建模，并通過(guò)電刺激實(shí)驗(yàn)來(lái)探索相關(guān)肌肉（脛骨前肌、比目魚(yú)肌和腓腸?。┳罴褏f(xié)調(diào)控制機(jī)制。借助下肢外骨骼和功能性電刺激組合，作者通過(guò)跑臺(tái)步態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了下肢髖膝踝關(guān)節(jié)一體訓(xùn)練