為了恢復(fù)運(yùn)動功能，必須進(jìn)行高強(qiáng)度、重復(fù)性和任務(wù)導(dǎo)向性康復(fù)訓(xùn)練，在過去的幾十年間，為了滿足這種日益增長的需求，人們把目光轉(zhuǎn)向了康復(fù)機(jī)器人，并在該領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了數(shù)個研究。但是，至今為止，針對上肢的康復(fù)機(jī)器人研究一般關(guān)注的患者群體大多為腦卒中幸存者，而對骨關(guān)節(jié)疾病中肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的關(guān)注略顯不足。
來自于意大利Cervesi醫(yī)院的Sicuri等為了理解目前康復(fù)機(jī)器人在神經(jīng)系統(tǒng)疾病和骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)疾病所導(dǎo)致的肩關(guān)節(jié)運(yùn)動障礙中應(yīng)用的適應(yīng)癥，以及上肢康復(fù)機(jī)器人在未來的應(yīng)用前景，他們撰寫了文章并發(fā)表在《Muscles Ligaments Tendons J》 2014年的期刊上。
肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人
在康復(fù)領(lǐng)域中，評價運(yùn)動功能及其變化的量表都是半定量的，因此無法進(jìn)行定量可靠的評價，也無法評價患者的殘疾程度、殘存的運(yùn)動功能和治療的有效性?？祻?fù)機(jī)器人則能進(jìn)行定量評估，如運(yùn)動的速度、運(yùn)動的準(zhǔn)確性和運(yùn)動耐力。
在本文中，Sicuri等描述了用于肩關(guān)節(jié)康復(fù)的現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)，也總結(jié)了機(jī)器人治療的適應(yīng)癥，從而探討上肢機(jī)器人在改善患者肩關(guān)節(jié)功能上所起到的作用。
1. 肩關(guān)節(jié)的生物力學(xué)
在神經(jīng)康復(fù)技術(shù)的進(jìn)展過程中，軀干穩(wěn)定性被視為在日常功能性活動的基礎(chǔ)，它影響著平衡功能，起到不同運(yùn)動間的協(xié)調(diào)作用，因此，即使在治療因骨關(guān)節(jié)疾病所導(dǎo)致的肩關(guān)節(jié)功能障礙時，也不能忽視軀干穩(wěn)定性這一先決條件。由于軀干肌肉運(yùn)動的協(xié)同性，應(yīng)該通過適當(dāng)?shù)目祻?fù)技術(shù)來增強(qiáng)神經(jīng)控制，從而調(diào)節(jié)軀干肌肉的力量，以達(dá)到維持軀干穩(wěn)定的目的。
肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)在上肢功能恢復(fù)中所起的作用也是至關(guān)重要的，因?yàn)槿绻麤]有近端控制的話，那么手功能就無從談及。有研究發(fā)現(xiàn)，在抓握、夠物或其他運(yùn)動中（扔球或接球），肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和手的運(yùn)動軌跡是緊密結(jié)合的。
不同的任務(wù)和運(yùn)動場景也影響到肩、肘和手的運(yùn)動軌跡，如在不同的位置和/或不同的方向時，夠物和抓握的運(yùn)動軌跡就可能存在不同。Soma等認(rèn)為通過應(yīng)用EMG和加速度傳感器來記錄肩關(guān)節(jié)周圍肌肉的活動，就能實(shí)時分辨不同的抓握動作和上臂運(yùn)動的方向。
所以當(dāng)我們在制定肩部復(fù)合體和上肢的康復(fù)計劃時，如果不考慮軀干和肩關(guān)節(jié)的生物力學(xué)要素，那么所制定的方案很可能是徒勞的，當(dāng)我們的目的是研發(fā)用于上肢的新型的機(jī)器人系統(tǒng)時，將上肢的生物力學(xué)納入考慮范圍更是必須的。
肩部復(fù)合體包括盂肱關(guān)節(jié)和肩胛帶，而肩胛帶又包括胸鎖關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)和肩胛骨-胸廓關(guān)節(jié)。這三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動會改變盂肱關(guān)節(jié)的中心，使其成為一個封閉的運(yùn)動鏈，在這個運(yùn)動鏈中這些關(guān)節(jié)無法獨(dú)立活動。因此，目前針對肩復(fù)合體的物理治療是通過移動肱骨來誘導(dǎo)肩胛帶運(yùn)動的。
一般而言，肩關(guān)節(jié)指的是盂肱關(guān)節(jié)，它有三個自由度（DOFs）。肩胛帶的主要運(yùn)動方向是垂直運(yùn)動和側(cè)方運(yùn)動，可以通過描述這兩個方向上肩關(guān)節(jié)的活動情況來反應(yīng)肩關(guān)節(jié)的活動效果。此外，肱骨運(yùn)動與肩胛骨運(yùn)動相聯(lián)系，這就是所謂的肩肱節(jié)律（CGH），即隨肱骨在不同平面的抬高而發(fā)生變化，也隨肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋或外旋的角度不同而發(fā)生變化。
因此，在那些因骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病而無法自主活動肩關(guān)節(jié)的患者中，機(jī)器人輔助訓(xùn)練是一個可供選擇的康復(fù)治療方案。但是這一類患者通常會通過軀干的移動來代償肩關(guān)節(jié)喪失的活動范圍，而這一代償活動則會影響到康復(fù)治療的效果。因此，在訓(xùn)練過程中，應(yīng)該固定患者的軀干，從而限制代償活動的發(fā)生，以及增加肩胛帶的應(yīng)用。
完全模擬人類上肢的機(jī)器人系統(tǒng)有6個DOFs，簡述如下：肩胛帶的抬高/降低、肩胛帶的前伸/回縮、肩胛帶的屈曲和伸展、肩胛帶的外展和內(nèi)收、肩胛帶的內(nèi)旋/外旋，以及肘關(guān)節(jié)的屈曲和伸展。在理解了肩關(guān)節(jié)的生物力學(xué)之后，讓我們把目光轉(zhuǎn)向在肩關(guān)節(jié)康復(fù)中的機(jī)器人分類。
2. 肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的分類
如果在康復(fù)治療過程中，需要精確的調(diào)節(jié)個體化康復(fù)方案，改善患者殘存的運(yùn)動功能，或者需要定量評估治療后的療效以及監(jiān)測訓(xùn)練過程中的變化時，可以選擇康復(fù)機(jī)器人治療。
機(jī)器人系統(tǒng)一般由下述8個組分組成，即具有和需要執(zhí)行的任務(wù)自由度一致的機(jī)械結(jié)構(gòu)、具有控制關(guān)節(jié)的執(zhí)行器（電動或氣動）、可以提供機(jī)器功能狀態(tài)和與環(huán)境交互信息的本體感受器和外感受器、需要執(zhí)行的任務(wù)序列，并在電腦系統(tǒng)中有詳細(xì)的信息、需要一臺電腦產(chǎn)生信號來控制機(jī)器人關(guān)節(jié)、處理來自于感受器的信號，以及操控運(yùn)動控制器，以及人/機(jī)交互，接受來自用戶（治療師/患者）的信息/指令，并提供在線反饋。
機(jī)器人能根據(jù)患者殘存的運(yùn)動功能對運(yùn)動速度進(jìn)行個體化的校準(zhǔn)，從而代償患者不足的力量或運(yùn)動控制，并且能讓患者感受到功能的改善。在這一過程中，需要一系列的感覺、運(yùn)動和認(rèn)知信息的輸入，如患者對自發(fā)運(yùn)動的主觀控制、表面軀體感覺輸入、與本體感覺相關(guān)的靜態(tài)和動態(tài)信息、相關(guān)的視覺信息（如虛擬現(xiàn)實(shí)）。
根據(jù)控制策略的不同，機(jī)器人輔助患者運(yùn)動的模式包括被動、主動、主動-助動和抗阻運(yùn)動。被動指的是機(jī)器人帶動患者上臂運(yùn)動；主動指的是患者自行完成運(yùn)動，機(jī)器人不提供幫助；主動-助動指的是首先由患者嘗試助動運(yùn)動，根據(jù)患者的情況再決定是否需要機(jī)器人提供輔助運(yùn)動，因此適用于患者能完成一定肢體運(yùn)動但無法充分完成的情況；抗阻運(yùn)動指的是患者需要對抗來自于機(jī)器人的阻力完成運(yùn)動。
根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械特征的不同，至少能分成三大類：外骨骼支架、終末感受器（也被稱為“操作器”或“機(jī)械手”）和電纜驅(qū)動。
2.1 外骨骼支架
為了盡可能的覆蓋整個上肢的關(guān)節(jié)活動度，外骨骼假肢和康復(fù)裝置一般的設(shè)計都是使機(jī)械關(guān)節(jié)和人類肢體關(guān)節(jié)相匹配和吻合。它們和肢體的每個節(jié)段相連接，能獨(dú)立的控制關(guān)節(jié)大部分的DOFs，這一特征使外骨骼支架的治療作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于終末效應(yīng)器式的機(jī)器人。但是它的主要的不足在于難以真實(shí)的復(fù)制關(guān)節(jié)復(fù)合體的DOFs，以及難以精確的和患者的關(guān)節(jié)保持一致。
在機(jī)器人的設(shè)計上和上肢康復(fù)相適應(yīng)，即適應(yīng)和代償肩關(guān)節(jié)產(chǎn)生的移位，從而預(yù)防由于關(guān)節(jié)軸不吻合所造成的肩關(guān)節(jié)內(nèi)的應(yīng)力的出現(xiàn)。
當(dāng)人類和機(jī)器人DOFs無法精確匹配時，機(jī)器人就會在關(guān)節(jié)連接處產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)牧?。這不僅會對患者造成損傷，也會造成關(guān)節(jié)疼痛和長期損傷。
現(xiàn)有的外骨骼支架的種類很多，每一類所具有的DOFs不同，實(shí)現(xiàn)DOFs所應(yīng)用的技術(shù)也不同。例如，機(jī)器人CADEN-7和L-EXOS在肩胛帶上不具有任何DOFs，但是它們對軀干的DOFs有作用。機(jī)器人Armin III和Intelli Arm在上臂抬高的同時能產(chǎn)生垂直的DOF，但水平的DOF沒有納入考慮范圍。
MEDARM是最先進(jìn)的外骨骼支架，因?yàn)樗诩珉螏Ц?降低和前伸/后縮上有兩個自由度。然而，由于該系統(tǒng)所作出的假設(shè)是在胸骨-鎖骨關(guān)節(jié)的CGH軌跡為圓形，因此可能會出現(xiàn)不匹配的情況。
其他的外骨骼支架則試圖采用一個多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)（主要工作原理包括在關(guān)節(jié)的兩端僅施加運(yùn)動所需要的力）來克服機(jī)器關(guān)節(jié)和患者關(guān)節(jié)不吻合的問題。然而，這一機(jī)器人還沒有在患者中進(jìn)行測試，目前已知的是其所達(dá)到的幅度要低于健康人的活動范圍。
即使是最先進(jìn)的外骨骼支架，雖然能覆蓋肩關(guān)節(jié)所有的DOFs，但是仍然需要在治療之前，根據(jù)患者的情況對機(jī)器人進(jìn)行調(diào)整，來確保機(jī)械關(guān)節(jié)和生物關(guān)節(jié)的吻合。這一調(diào)節(jié)的過程會影響機(jī)器人的治療效果，因此不能忽視該過程。外骨骼支架的其他缺點(diǎn)包括自身重量較重，不能輕易移動，并且價格昂貴，在治療過程中有可能造成患者骨折。
2.2 終末效應(yīng)器機(jī)器人
終末效應(yīng)器機(jī)器人限制了患者/機(jī)器之間的交互，它們僅在一個點(diǎn)和患者接觸，一般是在前臂或手部。它們不需要根據(jù)患者的體型進(jìn)行調(diào)整，但是很明顯它們無法控制上肢所有的DOFs，尤其是在肩關(guān)節(jié)和肩胛帶處。
由麻省理工機(jī)械學(xué)院所研發(fā)的MIT-MANUS是最常用的終末效應(yīng)器機(jī)器人，用于神經(jīng)康復(fù)治療，但是只能促使患者在水平平面內(nèi)完成夠物運(yùn)動。GENTLE也是一個終末效應(yīng)器機(jī)器人，它通過一個3 DOFs的球形關(guān)節(jié)與前臂遠(yuǎn)端相連接，并憑借一個腕部假肢來保持前臂在空間內(nèi)的位置。MIME（鏡像運(yùn)動增強(qiáng)器）則是一個包含6 DOFs的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，通過托板與前臂相連。
2.3 電纜驅(qū)動機(jī)器人
電纜驅(qū)動機(jī)器人是依靠電纜或電纜驅(qū)動的操縱臂來支持和操控患者的前臂。它是將電纜和終末效應(yīng)器相結(jié)合，并通過外部連接裝置固定，通過改變電纜的長度可以移動終末效應(yīng)器。
這一類機(jī)器人易于運(yùn)輸，成本較低，維護(hù)較簡易，這些都有利于商業(yè)推廣。它們主要的缺點(diǎn)僅能向一個方向驅(qū)動肢體，即只能拉而不能推。與人類關(guān)節(jié)相比，這類系統(tǒng)僅具有一個簡易的3 DOFs的機(jī)械球形關(guān)節(jié)，因此無法控制肩關(guān)節(jié)和肩胛帶。
已經(jīng)有數(shù)個基于電纜的康復(fù)機(jī)器人問世，包括MACARM、NeReBot和MariBot。它們的工作原理極為簡單，一旦患者的前臂固定在夾板或假肢上，機(jī)器就通過推動電纜對上肢產(chǎn)生刺激。
可以根據(jù)事先設(shè)定的三維軌跡移動患者的前臂（或與患者的前臂相互作用），與此同時，也允許患者進(jìn)行自發(fā)的移動?；颊卟⒉粫械綑C(jī)器人限制了他們的活動，這也將運(yùn)動中可能存在的慣性降到了最低。
機(jī)器人康復(fù)和其他技術(shù)
肩關(guān)節(jié)機(jī)器人能測量運(yùn)動速度、運(yùn)動方向，以及評估患者殘存的力量，也能評估患者的運(yùn)動能力，在某項(xiàng)特定的運(yùn)動任務(wù)中，根據(jù)事先設(shè)定的軌跡輔助患者運(yùn)動肢體，但是需要注意到的是康復(fù)機(jī)器人無法提供單一肌肉收縮的信息，也無法控制肩關(guān)節(jié)出現(xiàn)的代償活動。
目前越來越多的研究者將目光轉(zhuǎn)向了康復(fù)機(jī)器人聯(lián)合功能性電刺激（FES）的治療方式，這兩種治療方案聯(lián)合能增強(qiáng)每一種治療所帶來的獲益，也能擴(kuò)大其適應(yīng)癥。雖然由FES所誘發(fā)的肌肉活動不同于自發(fā)肌肉收縮時的正常運(yùn)動單位的募集，但是在康復(fù)訓(xùn)練中FES也能有效的改善肌肉力量。
通過準(zhǔn)確的刺激目標(biāo)肌肉， FES也能限制“習(xí)得性誤用”的問題，習(xí)得性誤用阻礙患者運(yùn)動功能和本體感覺恢復(fù)的主要障礙。需要注意的是，目前FES和康復(fù)機(jī)器人仍然是兩個獨(dú)立的系統(tǒng)，并沒有在系統(tǒng)水平進(jìn)行合成。
本體感覺的存在是康復(fù)治療獲益的基礎(chǔ)，康復(fù)機(jī)器人不僅僅是一個提供被動運(yùn)動的機(jī)器，而是一個能夠幫助患者將力和運(yùn)動相整合的訓(xùn)練工具。鑒于此，運(yùn)動康復(fù)不僅局限于機(jī)器或肌肉層面，也受到運(yùn)動-認(rèn)知的影響，如患者的運(yùn)動學(xué)習(xí)能力就影響著其運(yùn)動功能的恢復(fù)。
例如，當(dāng)患者在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）環(huán)境下進(jìn)行訓(xùn)練的時候，可以監(jiān)控他們的運(yùn)動，并試圖模擬最佳的運(yùn)動模式（在虛擬場景是所顯示）。在訓(xùn)練過程中，VR能保持患者的注意，提起他們對治療的興趣，可見，通過增強(qiáng)環(huán)境的豐富性可以保持患者的注意力，促進(jìn)患者對訓(xùn)練的興趣。
另一個與機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)是由Rodriguez等所介紹的腦-機(jī)器人交互康復(fù)設(shè)備，它可以提供感覺運(yùn)動反饋環(huán)路。這一工具能將患者的意圖（或嘗試）和機(jī)器人的實(shí)際動作相結(jié)合，從而誘導(dǎo)存在功能障礙的肢體進(jìn)行運(yùn)動。
在腦機(jī)接口系統(tǒng)中，相關(guān)的電極覆蓋了患者的運(yùn)動前區(qū)、主要運(yùn)動區(qū)和本體感覺區(qū)的皮層。該系統(tǒng)能同步監(jiān)測關(guān)節(jié)的位置/速度和神經(jīng)信號，在將來促進(jìn)基于實(shí)際運(yùn)動和想象的研究和康復(fù)策略的出現(xiàn)。
機(jī)器人康復(fù)的適應(yīng)癥
根據(jù)患者所完成的運(yùn)動的質(zhì)量不同，每一訓(xùn)練階段的目標(biāo)都是不斷變化的。每一種康復(fù)運(yùn)動都必須達(dá)到一定的強(qiáng)度，并具有一定的特異性，才能使得訓(xùn)練行之有效。此外，訓(xùn)練本身必須具有重復(fù)性、功能性的特征并具有一定的目的，這樣才能使得患者的表現(xiàn)不斷進(jìn)步。
機(jī)器人技術(shù)是一項(xiàng)有用的技術(shù)，可以滿足高強(qiáng)度、重復(fù)性和任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練的要求，幫助患者和治療師完成上肢運(yùn)動訓(xùn)練，牽伸肌肉和軟組織，從而預(yù)防肌肉僵硬和攣縮。此外，機(jī)器人能幫助無力的患者完成正常ROM范圍內(nèi)的運(yùn)動。
運(yùn)動功能障礙通常伴隨著本體感覺的減退，因此，在康復(fù)方案制定之前，必須首先確診本體感覺障礙是否存在，然后制定治療方案著手改善上述功能障礙。重復(fù)的主動運(yùn)動不僅有益于運(yùn)動障礙的恢復(fù)，對受損的本體感覺同樣能產(chǎn)生積極作用。因此，機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)不僅能提供重復(fù)運(yùn)動，也能改善患者的本體感覺功能。
在康復(fù)評定方面，雖然物理治療師所選擇的評定量表是標(biāo)準(zhǔn)化的，但是由于可能存在人為錯誤，從而影響評定結(jié)果的可靠性。因此，得到的評估結(jié)果通常都是主觀結(jié)果，并且受到評定者能力的影響。
康復(fù)機(jī)器人也具有評定的能力，并且是定量的評價，因此具有客觀性和可重復(fù)性的特征，并能從不同方面反映運(yùn)動改善的情況。因此，康復(fù)機(jī)器人既有訓(xùn)練的價值，也有評估的作用。
綜上，康復(fù)機(jī)器人是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化和可靠的工具，能為研究者和臨床工作者提供患者預(yù)后相關(guān)的評估結(jié)果。
至今為止，康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中關(guān)注的熱點(diǎn)在于神經(jīng)功能疾?。ㄈ缒X卒中和腦外傷）后偏癱患者的上肢機(jī)器人訓(xùn)練，因此，拓展康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用新領(lǐng)域也是非常必要的，在將來可將康復(fù)機(jī)器人用于周圍神經(jīng)損傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性變和肌營養(yǎng)不良的患者的治療。
在肩關(guān)節(jié)中應(yīng)用上肢機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)的主要的不足在于患者和康復(fù)機(jī)器人之間關(guān)節(jié)軸的不匹配，因此可能造成關(guān)節(jié)的疼痛和損傷。除了這些不足以外，肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人還是相當(dāng)安全和有效的，能用于肩關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定、僵硬（黏連性關(guān)節(jié)囊炎）、關(guān)節(jié)成形術(shù)后、肩袖損傷和其他肌腱破裂的康復(fù)治療（詳見下表1）。
本文分析了肩關(guān)節(jié)康復(fù)領(lǐng)域內(nèi)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，至今為止，機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)用于神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域，但是還沒有在骨關(guān)節(jié)領(lǐng)域開展。在偏癱側(cè)上肢應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)治療是卓有成效的，在腦卒中后上肢偏癱的患者中尤為如此，采用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行治療能改善運(yùn)動功能恢復(fù)，但是對改善功能預(yù)后的效果一般。
正如前文所述，目前所研發(fā)出的所有的機(jī)器人系統(tǒng)仍然具有很多不足，這些不足伴有一些安全性問題。如果將康復(fù)目標(biāo)定為改善患者的功能性運(yùn)動，那么就需要在上肢運(yùn)動中涵蓋大量的DOFs。這就需要研發(fā)更加精密但絕對安全的多DOFs機(jī)器人，同時，為了確定何種康復(fù)方式能帶來最大治療獲益，對運(yùn)動功能進(jìn)行客觀的評估也是十分重要的。
在由康復(fù)醫(yī)生和物理治療師所組成的康復(fù)治療團(tuán)隊(duì)中，上肢機(jī)器人技術(shù)仍然是一項(xiàng)先進(jìn)的治療工具。應(yīng)用機(jī)器人可以進(jìn)行相對簡單的治療，如重復(fù)性和耗費(fèi)人力的訓(xùn)練。在康復(fù)醫(yī)師制定了臨床決策之后，在適當(dāng)?shù)那闆r下就可交由機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)治療。
當(dāng)然，在骨關(guān)節(jié)康復(fù)領(lǐng)域中開展這項(xiàng)新技術(shù)之前，康復(fù)醫(yī)師和物理治療師都需要先接受充分的培訓(xùn)，以理解機(jī)器人技術(shù)在骨關(guān)節(jié)領(lǐng)域中的應(yīng)用。由于常規(guī)治療方案的療效欠佳，而機(jī)器人治療的有效性已經(jīng)得到了證實(shí)，上述這些證據(jù)支持在骨關(guān)節(jié)疾病的康復(fù)中采用機(jī)器人治療。
因此，為了確定殘疾和殘存功能之間的關(guān)系、提供殘疾和預(yù)后的評價標(biāo)準(zhǔn)、制定新的康復(fù)流程和確定未來康復(fù)領(lǐng)域中機(jī)器人的作用和價值，在未來需要將更多的患者納入研究，以達(dá)到上述目的。
在人類日常生活活動中，上肢機(jī)器人的功能是必須的，如夠物、抓握和操控物體。我們已經(jīng)知道，與下肢和足部相比，上肢和手的神經(jīng)控制更為復(fù)雜，這就是為什么上肢機(jī)器人的研發(fā)要難于下肢機(jī)器人的研發(fā)。
那么神經(jīng)系統(tǒng)疾患和骨關(guān)節(jié)疾患的患者運(yùn)動障礙存在怎樣的差異？這兩類患者的康復(fù)的資源是否相同？這兩類患者的康復(fù)目標(biāo)又該如何制定？上述問題的答案需要未來的研究來回答。
