為了恢復運動功能，必須進行高強度、重復性和任務導向性康復訓練，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)向了康復機器人，并在該領域內(nèi)進行了數(shù)個研究。但是，至今為止，針對上肢的康復機器人研究一般關注的患者群體大多為腦卒中幸存者，而對骨關節(jié)疾病中肩關節(jié)康復訓練的關注略顯不足。
來自于意大利Cervesi醫(yī)院的Sicuri等為了理解目前康復機器人在神經(jīng)系統(tǒng)疾病和骨關節(jié)系統(tǒng)疾病所導致的肩關節(jié)運動障礙中應用的適應癥，以及上肢康復機器人在未來的應用前景，他們撰寫了文章并發(fā)表在《Muscles Ligaments Tendons J》 2014年的期刊上。
肩關節(jié)康復機器人
在康復領域中，評價運動功能及其變化的量表都是半定量的，因此無法進行定量可靠的評價，也無法評價患者的殘疾程度、殘存的運動功能和治療的有效性?？祻蜋C器人則能進行定量評估，如運動的速度、運動的準確性和運動耐力。
在本文中，Sicuri等描述了用于肩關節(jié)康復的現(xiàn)代機器人系統(tǒng)，也總結了機器人治療的適應癥，從而探討上肢機器人在改善患者肩關節(jié)功能上所起到的作用。
1. 肩關節(jié)的生物力學
在神經(jīng)康復技術的進展過程中，軀干穩(wěn)定性被視為在日常功能性活動的基礎，它影響著平衡功能，起到不同運動間的協(xié)調(diào)作用，因此，即使在治療因骨關節(jié)疾病所導致的肩關節(jié)功能障礙時，也不能忽視軀干穩(wěn)定性這一先決條件。由于軀干肌肉運動的協(xié)同性，應該通過適當?shù)目祻图夹g來增強神經(jīng)控制，從而調(diào)節(jié)軀干肌肉的力量，以達到維持軀干穩(wěn)定的目的。
肩關節(jié)和肘關節(jié)在上肢功能恢復中所起的作用也是至關重要的，因為如果沒有近端控制的話，那么手功能就無從談及。有研究發(fā)現(xiàn)，在抓握、夠物或其他運動中（扔球或接球），肩關節(jié)、肘關節(jié)和手的運動軌跡是緊密結合的。
不同的任務和運動場景也影響到肩、肘和手的運動軌跡，如在不同的位置和/或不同的方向時，夠物和抓握的運動軌跡就可能存在不同。Soma等認為通過應用EMG和加速度傳感器來記錄肩關節(jié)周圍肌肉的活動，就能實時分辨不同的抓握動作和上臂運動的方向。
所以當我們在制定肩部復合體和上肢的康復計劃時，如果不考慮軀干和肩關節(jié)的生物力學要素，那么所制定的方案很可能是徒勞的，當我們的目的是研發(fā)用于上肢的新型的機器人系統(tǒng)時，將上肢的生物力學納入考慮范圍更是必須的。
肩部復合體包括盂肱關節(jié)和肩胛帶，而肩胛帶又包括胸鎖關節(jié)、肩鎖關節(jié)和肩胛骨-胸廓關節(jié)。這三個關節(jié)的運動會改變盂肱關節(jié)的中心，使其成為一個封閉的運動鏈，在這個運動鏈中這些關節(jié)無法獨立活動。因此，目前針對肩復合體的物理治療是通過移動肱骨來誘導肩胛帶運動的。
一般而言，肩關節(jié)指的是盂肱關節(jié)，它有三個自由度（DOFs）。肩胛帶的主要運動方向是垂直運動和側(cè)方運動，可以通過描述這兩個方向上肩關節(jié)的活動情況來反應肩關節(jié)的活動效果。此外，肱骨運動與肩胛骨運動相聯(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節(jié)的患者中，機器人輔助訓練是一個可供選擇的康復治療方案。但是這一類患者通常會通過軀干的移動來代償肩關節(jié)喪失的活動范圍，而這一代償活動則會影響到康復治療的效果。因此，在訓練過程中，應該固定患者的軀干，從而限制代償活動的發(fā)生，以及增加肩胛帶的應用。
完全模擬人類上肢的機器人系統(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，以及肘關節(jié)的屈曲和伸展。在理解了肩關節(jié)的生物力學之后，讓我們把目光轉(zhuǎn)向在肩關節(jié)康復中的機器人分類。
2. 肩關節(jié)康復機器人的分類
如果在康復治療過程中，需要精確的調(diào)節(jié)個體化康復方案，改善患者殘存的運動功能，或者需要定量評估治療后的療效以及監(jiān)測訓練過程中的變化時，可以選擇康復機器人治療。
機器人系統(tǒng)一般由下述8個組分組成，即具有和需要執(zhí)行的任務自由度一致的機械結構、具有控制關節(jié)的執(zhí)行器（電動或氣動）、可以提供機器功能狀態(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)行的任務序列，并在電腦系統(tǒng)中有詳細的信息、需要一臺電腦產(chǎn)生信號來控制機器人關節(jié)、處理來自于感受器的信號，以及操控運動控制器，以及人/機交互，接受來自用戶（治療師/患者）的信息/指令，并提供在線反饋。
機器人能根據(jù)患者殘存的運動功能對運動速度進行個體化的校準，從而代償患者不足的力量或運動控制，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、運動和認知信息的輸入，如患者對自發(fā)運動的主觀控制、表面軀體感覺輸入、與本體感覺相關的靜態(tài)和動態(tài)信息、相關的視覺信息（如虛擬現(xiàn)實）。
根據(jù)控制策略的不同，機器人輔助患者運動的模式包括被動、主動、主動-助動和抗阻運動。被動指的是機器人帶動患者上臂運動；主動指的是患者自行完成運動，機器人不提供幫助；主動-助動指的是首先由患者嘗試助動運動，根據(jù)患者的情況再決定是否需要機器人提供輔助運動，因此適用于患者能完成一定肢體運動但無法充分完成的情況；抗阻運動指的是患者需要對抗來自于機器人的阻力完成運動。
根據(jù)機器人的機械特征的不同，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節(jié)活動度，外骨骼假肢和康復裝置一般的設計都是使機械關節(jié)和人類肢體關節(jié)相匹配和吻合。它們和肢體的每個節(jié)段相連接，能獨立的控制關節(jié)大部分的DOFs，這一特征使外骨骼支架的治療作用遠遠優(yōu)于終末效應器式的機器人。但是它的主要的不足在于難以真實的復制關節(jié)復合體的DOFs，以及難以精確的和患者的關節(jié)保持一致。
在機器人的設計上和上肢康復相適應，即適應和代償肩關節(jié)產(chǎn)生的移位，從而預防由于關節(jié)軸不吻合所造成的肩關節(jié)內(nèi)的應力的出現(xiàn)。
當人類和機器人DOFs無法精確匹配時，機器人就會在關節(jié)連接處產(chǎn)生不適當?shù)牧?。這不僅會對患者造成損傷，也會造成關節(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，實現(xiàn)DOFs所應用的技術也不同。例如，機器人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是最先進的外骨骼支架，因為它在肩胛帶抬高/降低和前伸/后縮上有兩個自由度。然而，由于該系統(tǒng)所作出的假設是在胸骨-鎖骨關節(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節(jié)結構（主要工作原理包括在關節(jié)的兩端僅施加運動所需要的力）來克服機器關節(jié)和患者關節(jié)不吻合的問題。然而，這一機器人還沒有在患者中進行測試，目前已知的是其所達到的幅度要低于健康人的活動范圍。
即使是最先進的外骨骼支架，雖然能覆蓋肩關節(jié)所有的DOFs，但是仍然需要在治療之前，根據(jù)患者的情況對機器人進行調(diào)整，來確保機械關節(jié)和生物關節(jié)的吻合。這一調(diào)節(jié)的過程會影響機器人的治療效果，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 終末效應器機器人
終末效應器機器人限制了患者/機器之間的交互，它們僅在一個點和患者接觸，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，尤其是在肩關節(jié)和肩胛帶處。
由麻省理工機械學院所研發(fā)的MIT-MANUS是最常用的終末效應器機器人，用于神經(jīng)康復治療，但是只能促使患者在水平平面內(nèi)完成夠物運動。GENTLE也是一個終末效應器機器人，它通過一個3 DOFs的球形關節(jié)與前臂遠端相連接，并憑借一個腕部假肢來保持前臂在空間內(nèi)的位置。MIME（鏡像運動增強器）則是一個包含6 DOFs的機器人結構，通過托板與前臂相連。
2.3 電纜驅(qū)動機器人
電纜驅(qū)動機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器相結合，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器。
這一類機器人易于運輸，成本較低，維護較簡易，這些都有利于商業(yè)推廣。它們主要的缺點僅能向一個方向驅(qū)動肢體，即只能拉而不能推。與人類關節(jié)相比，這類系統(tǒng)僅具有一個簡易的3 DOFs的機械球形關節(jié)，因此無法控制肩關節(jié)和肩胛帶。
已經(jīng)有數(shù)個基于電纜的康復機器人問世，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，機器就通過推動電纜對上肢產(chǎn)生刺激。
可以根據(jù)事先設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，也允許患者進行自發(fā)的移動?；颊卟⒉粫械綑C器人限制了他們的活動，這也將運動中可能存在的慣性降到了最低。
機器人康復和其他技術
肩關節(jié)機器人能測量運動速度、運動方向，以及評估患者殘存的力量，也能評估患者的運動能力，在某項特定的運動任務中，根據(jù)事先設定的軌跡輔助患者運動肢體，但是需要注意到的是康復機器人無法提供單一肌肉收縮的信息，也無法控制肩關節(jié)出現(xiàn)的代償活動。
目前越來越多的研究者將目光轉(zhuǎn)向了康復機器人聯(lián)合功能性電刺激（FES）的治療方式，這兩種治療方案聯(lián)合能增強每一種治療所帶來的獲益，也能擴大其適應癥。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動單位的募集，但是在康復訓練中FES也能有效的改善肌肉力量。
通過準確的刺激目標肌肉， FES也能限制“習得性誤用”的問題，習得性誤用阻礙患者運動功能和本體感覺恢復的主要障礙。需要注意的是，目前FES和康復機器人仍然是兩個獨立的系統(tǒng)，并沒有在系統(tǒng)水平進行合成。
本體感覺的存在是康復治療獲益的基礎，康復機器人不僅僅是一個提供被動運動的機器，而是一個能夠幫助患者將力和運動相整合的訓練工具。鑒于此，運動康復不僅局限于機器或肌肉層面，也受到運動-認知的影響，如患者的運動學習能力就影響著其運動功能的恢復。
例如，當患者在虛擬現(xiàn)實（VR）環(huán)境下進行訓練的時候，可以監(jiān)控他們的運動，并試圖模擬最佳的運動模式（在虛擬場景是所顯示）。在訓練過程中，VR能保持患者的注意，提起他們對治療的興趣，可見，通過增強環(huán)境的豐富性可以保持患者的注意力，促進患者對訓練的興趣。
另一個與機器人相關的技術是由Rodriguez等所介紹的腦-機器人交互康復設備，它可以提供感覺運動反饋環(huán)路。這一工具能將患者的意圖（或嘗試）和機器人的實際動作相結合，從而誘導存在功能障礙的肢體進行運動。
在腦機接口系統(tǒng)中，相關的電極覆蓋了患者的運動前區(qū)、主要運動區(qū)和本體感覺區(qū)的皮層。該系統(tǒng)能同步監(jiān)測關節(jié)的位置/速度和神經(jīng)信號，在將來促進基于實際運動和想象的研究和康復策略的出現(xiàn)。
機器人康復的適應癥
根據(jù)患者所完成的運動的質(zhì)量不同，每一訓練階段的目標都是不斷變化的。每一種康復運動都必須達到一定的強度，并具有一定的特異性，才能使得訓練行之有效。此外，訓練本身必須具有重復性、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)不斷進步。
機器人技術是一項有用的技術，可以滿足高強度、重復性和任務導向性訓練的要求，幫助患者和治療師完成上肢運動訓練，牽伸肌肉和軟組織，從而預防肌肉僵硬和攣縮。此外，機器人能幫助無力的患者完成正常ROM范圍內(nèi)的運動。
運動功能障礙通常伴隨著本體感覺的減退，因此，在康復方案制定之前，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。重復的主動運動不僅有益于運動障礙的恢復，對受損的本體感覺同樣能產(chǎn)生積極作用。因此，機器人輔助康復訓練系統(tǒng)不僅能提供重復運動，也能改善患者的本體感覺功能。
在康復評定方面，雖然物理治療師所選擇的評定量表是標準化的，但是由于可能存在人為錯誤，從而影響評定結果的可靠性。因此，得到的評估結果通常都是主觀結果，并且受到評定者能力的影響。
康復機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性的特征，并能從不同方面反映運動改善的情況。因此，康復機器人既有訓練的價值，也有評估的作用。
綜上，康復機器人是一項標準化和可靠的工具，能為研究者和臨床工作者提供患者預后相關的評估結果。
至今為止，康復機器人領域中關注的熱點在于神經(jīng)功能疾?。ㄈ缒X卒中和腦外傷）后偏癱患者的上肢機器人訓練，因此，拓展康復機器人應用新領域也是非常必要的，在將來可將康復機器人用于周圍神經(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。
在肩關節(jié)中應用上肢機器人進行康復的主要的不足在于患者和康復機器人之間關節(jié)軸的不匹配，因此可能造成關節(jié)的疼痛和損傷。除了這些不足以外，肩關節(jié)康復機器人還是相當安全和有效的，能用于肩關節(jié)的不穩(wěn)定、僵硬（黏連性關節(jié)囊炎）、關節(jié)成形術后、肩袖損傷和其他肌腱破裂的康復治療（詳見下表1）。
本文分析了肩關節(jié)康復領域內(nèi)機器人技術應用的現(xiàn)狀，至今為止，機器人和虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)用于神經(jīng)康復領域，但是還沒有在骨關節(jié)領域開展。在偏癱側(cè)上肢應用機器人技術治療是卓有成效的，在腦卒中后上肢偏癱的患者中尤為如此，采用機器人技術進行治療能改善運動功能恢復，但是對改善功能預后的效果一般。
正如前文所述，目前所研發(fā)出的所有的機器人系統(tǒng)仍然具有很多不足，這些不足伴有一些安全性問題。如果將康復目標定為改善患者的功能性運動，那么就需要在上肢運動中涵蓋大量的DOFs。這就需要研發(fā)更加精密但絕對安全的多DOFs機器人，同時，為了確定何種康復方式能帶來最大治療獲益，對運動功能進行客觀的評估也是十分重要的。
在由康復醫(yī)生和物理治療師所組成的康復治療團隊中，上肢機器人技術仍然是一項先進的治療工具。應用機器人可以進行相對簡單的治療，如重復性和耗費人力的訓練。在康復醫(yī)師制定了臨床決策之后，在適當?shù)那闆r下就可交由機器人執(zhí)行相關治療。
當然，在骨關節(jié)康復領域中開展這項新技術之前，康復醫(yī)師和物理治療師都需要先接受充分的培訓，以理解機器人技術在骨關節(jié)領域中的應用。由于常規(guī)治療方案的療效欠佳，而機器人治療的有效性已經(jīng)得到了證實，上述這些證據(jù)支持在骨關節(jié)疾病的康復中采用機器人治療。
因此，為了確定殘疾和殘存功能之間的關系、提供殘疾和預后的評價標準、制定新的康復流程和確定未來康復領域中機器人的作用和價值，在未來需要將更多的患者納入研究，以達到上述目的。
在人類日常生活活動中，上肢機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)控制更為復雜，這就是為什么上肢機器人的研發(fā)要難于下肢機器人的研發(fā)。
那么神經(jīng)系統(tǒng)疾患和骨關節(jié)疾患的患者運動障礙存在怎樣的差異？這兩類患者的康復的資源是否相同？這兩類患者的康復目標又該如何制定？上述問題的答案需要未來的研究來回答。
