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计算机一体化步行训练

时间:2023-03-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:随后,在国内、国际众多科研机构陆续研发了各种基于计算机控制下的步行功能训练系统或者称计算机一体化步行训练系统。一般的计算机一体化步行训练系统都包括减重支持系统和步态控制系统两个部分。而计算机一体化步行训练系统简便的操作,减小了治疗师在康复过程中的劳动强度,免去了复杂的步态控制过程。

骨科疾病可能导致神经、关节、肌肉、韧带方面的功能障碍,而这些功能障碍可直接影响人体运动系统各种功能,包括步行功能。步行功能为人类日常生活活动提供了一种简单、高效的转移方法。一旦这种方法出现功能障碍,将极大地削弱人类的日常生活活动能力,并可能导致障碍者心理功能和社会功能方面的问题。同时,步行功能的恢复也是所有患者最为关心的问题。因此,步行功能恢复训练一直都是康复医学研究的热点话题。

一、传统的步行训练

传统的步行训练要求治疗师辅助或完全帮助患者完成步态控制,包括重心转移、摆动相和支撑相的控制。传统的方法主要有以下几种:

1.平行杠步行训练 患者通过平行杠的辅助作用,实现简单的站立和移动练习。此方法一般要求患者下肢至少有支撑自身重量的能力。

2.减重平地步行训练 患者通过可移动减重支架去除部分身体重量,可应用于下肢支撑能力较弱的患者。

3.减重平板步行训练 患者通过固定的减重系统去除部分身体重量,在平板上步行。该法同样可用于下肢支撑能力较弱的患者,且减少了治疗师活动的范围。

4.功能性电刺激辅助步行训练 主要通过足底触发开关控制电流的输出,刺激步行过程中的关键肌肉收缩,达到促进患者步行能力的目的。

二、计算机一体化步行训练

随着计算机科学的不断进步,在20世纪90年代康复界就提出了机器人辅助步行训练的概念。随后,在国内、国际众多科研机构陆续研发了各种基于计算机控制下的步行功能训练系统或者称计算机一体化步行训练系统。近10年逐步有美国、德国、瑞士等国的医疗器械公司推出较成熟的产品投放市场。一般的计算机一体化步行训练系统都包括减重支持系统和步态控制系统两个部分。减重支持系统与传统的减重平板步行训练中所使用的减重系统作用相似,另外增加了减重系统与步态控制系统之间的协调控制,实现了减重与实时步态的相互适应。步态控制系统是计算机一体化步行训练系统与传统步态训练方法区别最大的一部分。正常的步态模式被编写成固定的电脑程序之后,由步态控制系统通过驱动外部硬件设施达到诱发患者正常步态形成或纠正患者异常步态模式的目的。

与传统的步行训练方法相比,计算机一体化步行训练系统有以下几个方面优点:

1.人力投入少 人力投入的减少能最有效地控制康复成本,并使更多有需要的患者享受康复。传统步行训练需要治疗师在整个治疗过程进行纠正患者的异常步态模式,且依据患者的功能状况,需要的治疗师从1名到3名不等(分别控制重心及双下肢步态),而计算机一体化步行训练系统只需要1名治疗师对患者进行指导练习则可完成。重心、步态的控制均由计算机控制实现。

2.操作简便 简便的可操作性对于一项技术的推广极其重要。传统的步态训练方法操作复杂,且需要治疗师们极大的体力付出。而计算机一体化步行训练系统简便的操作,减小了治疗师在康复过程中的劳动强度,免去了复杂的步态控制过程。

3.人机互动 能引起患者兴趣的治疗方法可以最大化地发掘患者的康复潜能。传统的步行训练方法中,治疗师只能通过手及口头提醒实现与患者之间的信息交流。而计算机一体化步行训练系统可实现全方位的人机互动。计算机通过肌电信号、力的大小和方向等获得患者在步行过程中的信息,并通过声音、图像、反馈力的方式,实时、具体、量化地反馈给患者,并达到诱导患者正确步行的目的。

4.可重复性 步行能力训练主要通过不断地重复正常步态过程而实现恢复步行能力的目的。传统的步行训练方法要求治疗师有丰富的步态知识和临床经验,才能较好地完成步行能力训练,如在摆动相和支撑相时施加的助力和阻力的大小和方向应如何把握。在步行训练过程中,患者的步态相位在随时改变。没有经过较长时间练习的治疗师比较难完成这种有节奏地依据患者情况施加阻力和助力的工作。在计算机一体化步行训练系统辅助完成步行能力训练下,这些情况都不会发生,也不会出现不同治疗师之间的手法差异给患者带来主观感受的不同,可增加治疗师个体内部和个体之间的信度。

5.实时评估 计算机可以记录患者的每一次步行训练过程,如阻力和助力、减重情况、肌电信号等,及时的结果反馈可以令患者实时地了解自己步行训练的进度。这些对于传统的步行能力训练都是比较难做到的。

三、常见的计算机一体化步行训练系统

越来越多技术比较成熟的计算机一体化步行训练系统正在进入临床使用,并获得了较满意的效果。以下就几种目前常见的训练系统进行简要的介绍。

1.瑞士Hocoma公司生产的Lokomat(图14-2A) 该设备由减重系统、步行平板、步态控制系统三部分组成。患者通过减重系统减重之后,躯干及下肢被固定在步态控制系统的外骨架上。步态控制系统主要通过髋部和膝部的电机协同控制髋、膝、踝关节活动方向以及与步行平板的协调配合达到训练患者正常的步态模式,并通过视觉反馈的功能性、任务导向性步行练习,增加步行训练过程的趣味性。目前有成年人及儿童用Lokomat。

2.德国LokoHelp公司的LokoHelp(图

14-2B) 该设备由减重系统、步行平板、步态控制系统三部分组成。步态控制系统被固定在步行平板上,通过平板的运行获得动力。患者经过减重系统去除部分身体重量后,双踝被置于90°固定在双侧支具内。通过支具循环运行于步态控制系统预设的近似椭圆形轨道里,模拟步行过程的支撑相和摆动相,达到训练步行能力目的。

3.德国Reha-Stim公司生产的Gait Trainter(图14-2C) 该设备主要由减重系统和步态控制系统两方面组成。患者经过减重系统去除部分身体重量之后,双侧足部被固定在足踏板上。足踏板通过主机内部的齿轮装置使双侧足踏板协调地在矢状面上产生椭圆形运动。足踏板在椭圆形上方运行时被模拟成步行过程的摆动相,而当足踏板在椭圆形下方运行时则被模拟成步行过程的支撑相,从而模拟出正常人的步态过程。

4.美国Motorika公司的ReoAmbulator(图14-2D) 该设备由减重系统、步行平板、步态控制系统三部分组成。患者由减重系统去除部分身体重量后,躯干、双侧下肢被固定在由步态控制系统管理的外骨架上。步态控制系统用预设的步态程序通过外骨架双侧髋部和膝部的电机控制双侧髋关节、膝关节的协调活动,并与步行平板共同实现模拟正常步行模式。

图14-2 几种常见的训练系统

A.瑞士Hocoma公司的Lokomat;B.德国LokoHelp公司的LokoHelp
C.德国Reha-Stim公司的Gait Traiter;D.美国Motorika公司的ReoAmbulator

四、计算机一体化步行训练系统的可待改进性

虽然越来越多的计算机一体化步行训练系统进入了临床应用,并取得了一定的效果。同时,我们也应该认识到目前的计算机一体化训练系统仍然存在许多不足之处。当前的大多数研究都只说明了计算机步行训练系统对患者步行能力的提高有帮助,而却甚少将传统步行训练与计算机一体化步行训练系统进行效果比较。没有大样本随机对照试验的证据支持计算机一体化步行训练系统的效果优于传统步行训练。计算机一体化步行训练系统的功能我们仍有许多方面需要完善。

1.步态过程可调 目前系统对步态控制仅仅粗略地通过控制髋、膝关节在矢状面上的活动实现,缺少踝关节及其他平面的控制。步态参数的调整主要体现在步频方面,而其他参数甚少能调。步态轨迹模拟过于固定,不利于不同个体患者的步行训练。

2.人机交互反馈 目前的系统正用越来越多的方式将患者的步行训练信息反馈给患者。然而,对于有一定主动控制能力的患者,系统仍只能固定地按原程序进行,甚少能通过收集实时步态信息,对患者的步行训练进行调整,没能充分地利用从患者身上获得的信息。

3.训练模式 机器应能依据患者能力,实现被动、助动、主动、抗阻训练模式,而目前系统基本都是被动训练为主。因此,目前的系统仍不能称为是严格意义上的机器人辅助步行能力训练。

(危昔均 李胜活)

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