穿戴式颈椎康复设备研究现状与趋势_杜妍辰.pdf
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1、生物医学工程学进展2023 年第 44 卷第 2 期 生物医学仪器与康复工程 149 doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2023.02.005 穿戴式颈椎康复设备研究现状与趋势 杜妍辰1,2,3,胡时辉1,2,3,石萍1,2,3,李素姣1,2,3,喻洪流1,2,3(1.上海理工大学康复工程与技术研究所 上海 200093;2.上海康复器械工程技术研究中心 上海 200093;3.民政部神经功能信息与康复工程重点实验室 上海 200093)【摘要】颈椎康复设备广泛应用于康复科、推拿科等科室,用于各类颈椎病的治疗,有效减轻了医护人员的体力负担,极大地丰富了医生的治疗手段。该
2、文首先简述了颈椎病的分型、治疗方法及其机理;其次,概述了颈椎康复设备的作用机制,并根据驱动方式、作用机理等对市面上现有的颈椎康复设备进行了分类,将其分为六大种类;再次,针对穿戴式颈椎康复设备的国内外研究及发展现状进行了详细介绍与总结;最后,对穿戴式颈椎康复设备未来 6 个方面(增加牵引维度及模式、提升柔顺性、提升人机耦合性、提升穿戴便携性、加深与传统医学的融合、加快产业化落地)的发展趋势进行了展望。【关键词】穿戴式技术;颈椎病;颈椎康复设备;柔顺性;人机耦合性【中图分类号】TP242.6 【文献标志码】A 文章编号:1674-1242(2023)02-0149-09 Research Stat
3、us and Trend of Wearable Cervical Spine Rehabilitation Equipment DU Yanchen1,2,3,HU Shihui1,2,3,SHI Ping1,2,3,LI Sujiao1,2,3,YU Hongliu1,2,3(1.Institute of Rehabilitation Engineering and Technology,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Rehabilitation Equi
4、pment Engineering Technology Research Center,Shanghai 200093,China;3.Key Laboratory of Neurological Information and Rehabilitation Engineering,Ministry of Civil Affairs,Shanghai 200093,China)【Abstract】The utilization of cervical spine rehabilitation devices has become prevalent in rehabilitation dep
5、artments and massage centers for the management of diverse cervical spine conditions,contributing to the reduction of the physical demands on healthcare professionals and enhancing the treatment options available to medical practitioners.This article initially presents a concise overview of the typo
6、logy and therapeutic approaches for cervical spondylosis and their underlying mechanisms.Subsequently,the mechanism of operation of cervical spine rehabilitation devices is discussed and the current market offerings are classified into six categories based on their mode of propulsion and mechanism o
7、f action.A comprehensive evaluation of the state-of-the-art of domestic and international research and development of wearable cervical spine rehabilitation devices is then presented.The article concludes with a forward-looking outlook on the future growth trajectory of wearable cervical spine rehab
8、ilitation devices,收稿日期:2022-09-29。基金项目:上海科技行动创新计划(20531901500)。作者简介:杜妍辰,女,教授,博士生导师,E-mail:。通信作者:喻洪流,男,教授,博士生导师,E-mail:。生物医学工程学进展2023 年第 44 卷第 2 期 生物医学仪器与康复工程 150 specifically in regards to expanding the traction dimension and mode,enhancing the flexibility,human-machine compatibility,and wearability
9、,reinforcing the integration with traditional medicine,and hastening the commercialization of wearable cervical spine rehabilitation devices.【Key words】Wearable Technology;Cervical Spondylosis;Cervical Spine Rehabilitation Devices;Flexibility;Human-machine Coupling 0 引言 颈椎病在临床中是较为常见且易多发的疾病。随着科技的发展,人
10、们的生活方式发生了巨大的变化,颈椎病的发病年龄也日趋年轻化。根据世界卫生组织公布的数据,全球颈椎病患者数量已经达到了 9 亿名,位列全球十大慢性顽固疾病排行榜第二1。颈椎病不仅表现为颈背疼痛、上肢无力、手指发麻、下肢乏力、行走困难、头晕、恶心、呕吐等症状,还可引起颈心综合征、颈胃综合征、高血压等并发症。颈椎病根据受累的组织和结构不同,可分为颈型、神经根型、脊髓型、交感型、椎动脉型和混合型等2。针对颈椎病的治疗手段可分为手术治疗和保守治疗两大类,而牵引与康复训练在临床中是颈椎病保守治疗中最常见的治疗手段之一3,其对颈型颈椎病、神经根型颈椎病均有较好的治疗效果,其主要作用机理为:通过限制颈椎活动,
11、促进肌肉修复;牵拉以增加椎间盘间隙,减少椎间盘压力;缓解神经根压迫,促进水肿吸收;延长椎管纵径,改善血液与脑脊液循环;恢复颈椎曲度,改善小关节功能4。在颈椎牵引与康复训练的过程中,颈椎康复设备是必不可少的辅助工具。在颈椎牵引与康复训练的治疗历史上,最早出现的悬挂式牵引设备通过患者自身的重量提供必要的牵引力。而后随着机械、电子、计算机技术的发展,逐渐出现了可调节牵引力、牵引维度、训练模式的设备。发展至今,部分设备甚至已具有内置的智能处方。颈椎康复设备的发展为医生、患者带来了极大的便利,使治疗过程更精确,改善了治疗效果,因此针对颈椎康复设备的研究具有非常积极的意义。本文通过分析国内外相关研究成果,
12、对颈椎康复设备,特别是穿戴式颈椎康复设备进行了系统性的介绍与总结,并对今后的研究重点进行了预测与展望。1 颈椎康复设备分类及介绍 通过收集、整理相关资料与文献,可将现有的颈椎康复设备大体分为以下 6 种。1.1 颈椎机械式牵引装置 颈椎机械式牵引装置主要有头戴式悬吊和枕后位牵引两种。颈椎机械式牵引装置根据驱动方式可分为有源式和无源式;根据牵引体位可分为坐立式和卧式。这类装置的特点是牵引方向单一、牵引要素不能长时间保持恒定和精确、长期使用会引发颞下颌关节综合症等并发症5,且体积大,部分装置价格昂贵,不适合家用。1.2 气囊加压牵引器 气囊加压牵引器体积小巧、方便携带,适用于家庭康复牵引。但气囊加
13、压时,内圈膨胀,导致颈椎受压,易产生窒息感6。同时,此类牵引器使锁骨的负担很重,部分患者牵引时锁骨会有严重的疼痛感。1.3 颈椎按摩器 颈椎按摩器小巧实用,方便携带。多种治疗方法的联合应用使按摩器能够有效缓解颈部肌肉的疼痛问题,舒筋活血,改善颈部的血液循环。颈椎按摩器的缺点是缺乏柔顺性,不能改善颈部神经压迫症状,并且有可能会损伤颈部神经及软组织。1.4 颈椎治疗枕 颈椎治疗枕以麦肯基疗法为基础,通过头部重量自行牵引来达到恢复生理曲度的效果,但牵引位置精确度不高,牵引效果一般,不能保证康复训练方向的持续一致性。1.5 头颈椎矫形器 头颈椎矫形器可通过推伸机构来支撑头部,有效减轻头部对颈椎的压力,
14、实现穿戴尺寸的可调节及牵引角度的可调节。但其牵引力度、模式相对固定,有一定的局限性。关于此类设备较有代表性的研究成果有美国加州大学伯克利分校 Yee 等6设计的一款助力的被动头颈椎矫形器,可减轻由颈椎病引起的疼痛,如图 1 所示。其作为较为先进的头颈椎矫形器,目的是进行力的再分配,当颈椎屈伸时可减少脖子肌肉的活动量,矫正人们的错误姿势与不良习惯,减少颈椎的曲度扭曲变形,降低颈椎疼痛发生的频率。该设备结构简单,携带方便。生物医学工程学进展2023 年第 44 卷第 2 期 生物医学仪器与康复工程 151 图 1 被动头颈椎矫形器 Fig.1 Passive head and neck ortho
15、tic mechanism 1.6 智能颈椎康复设备 智能颈椎康复设备包含穿戴式与非穿戴式两类,其通过融合机械、电子、自动化、人工智能等多领域技术,可以灵活切换牵引时间、牵引力度、牵引角度3 个关键要素,以达到适配患者病症的目的。此外,有些智能颈椎康复设备具备智能评估功能,甚至可以在设备中内置智能处方,根据患者自适应调节牵引时间、牵引力度、牵引角度。其中非穿戴式智能颈椎康复设备中较有代表性的如下所示。哈尔滨工业大学的王广欢7设计了一种精准定量颈椎康复设备,如图2(a)所示。其使用了3 个电机,可对位姿与牵引力参数进行精确的调整,同时基于力/位混合控制策略及自适应模糊 PID 控制来提升牵引的柔
16、顺性,但系统的稳定性与精准度还有待进一步完善。Pei 等8在使用 BTE 技术开发的 MCU 颈椎评估康复系统的基础上设计了一种颈椎评估康复系统,如图 2(b)所示。其不仅能够实现评估康复一体化,还能降低成本、简化检测步骤、定制康复训练方案。其可实现颈椎的三自由度转动,不过体积庞大,结构相对复杂。(a)(b)图 2 非穿戴式颈椎智能康复设备 Fig.2 Non-wearable intelligent cervical spine rehabilitation device(a)一种精准定量颈椎康复设备;(b)一种颈椎评估康复系统(a)A precise and quantitative ce
17、rvical spine rehabilitation device;(b)A cervical spine evaluation and rehabilitation system 2 国内外穿戴式颈椎康复设备研究现状 可穿戴技术是信息技术和生物医学工程领域的研究热点,其最早是由美国麻省理工学院媒体实验室所提出的一种创新技术9。应用可穿戴技术的设备一般具有可穿戴性和数据信息采集处理功能10。如今,随着物联网技术的高速发展,可穿戴技术越来越多地被应用于医疗领域。近年来,国内外在颈椎康复领域逐渐出现了一些运用可穿戴技术的颈椎康复设备,以下针对此类颈椎康复设备进行详细介绍。2.1 国外穿戴式颈椎康
18、复设备研究现状 美国 Linares Medical Devices 公司11设计了一种高度和直径多位置可调节的康复设备,如图 3(a)所示。其通过两侧的剪式千斤顶调节高度和直径,具备初步的牵引效果,但不具备多维度牵引效果,活动范围较小。美国哥伦比亚大学 RoAR(The Robotics And Rehabilitation)实验室的 Zhang Haohan 等12-15研发了一款名为 Neck Brace 的 3-RRS 头颈部外骨骼,如图 3(b)所示。其可实现三自由度转动。患者可使用两种方式控制该设备,一种是使用操纵杆控制头部外骨骼的活动,另一种是借助眼动仪实现眼部跟随控制。但其活动
19、范围相对有限,如进行侧屈运动时,其活动范围只能达到人体活动范围的 53.1%;进行旋转运动时,其运动范围可达到 70%。该外骨骼控制系统基于角位移与电流量反馈构造了力控制器,其外环输入为角位移,通过 PD 反馈控制输出理想的电机力矩。内环为 PID 电流环,输出电流量控制外骨骼运动。其通过调整施加于头顶颅骨处的力来达到颈椎康复训练的目的。但跟踪所需的循环运动精度较低,相位延迟较长。印度韦洛尔理工大学的 Lingampally 等16-19提出了一种基于 3-RPS 型并联机构的颈椎康复设备,如图 3(c)所示。该设备适用于辅助头颈部运动,解决头颈部姿势问题。经过实验验证,其可实现三自由度运动,
20、能够模仿 65%的人类头/颈部运动,如前曲、后伸、侧弯等动作,而且颈部表面肌肉产生的应变很小,应变范围为 4010-68010-6。其针对 15 名 4965生物医学工程学进展2023 年第 44 卷第 2 期 生物医学仪器与康复工程 152 岁的中老年人进行了实验。实验结果表明,该设备在进行前屈、后伸动作时,股骨头/颈部的俯仰轴角度在12 之间;进行左右侧弯动作时,其活动范围在21 之间,从不同的运动中获得的最小误差为 0.5,可帮助患有脊柱退休性病变及颈部损伤的患者康复。但该实验缺少左右旋转动作的相关实验数据,有待进一步的实验论证。韩国首尔国立大学的Kim等20设计了一种主动矫正头颈部姿势
21、的康复机器人,如图 3(d)所示。其采用波纹管式气动执行器和气动人工肌肉,能够在主要方向上提供足够的力,并基于可检测颈部期望矫正角度的柔性传感器和气动人工肌肉,利用径向膨胀方式将机械压力施加到颈部,构建了一个用于监测和治疗头部前移姿态的闭环反馈控制回路。其治疗效果还有待进一步验证。澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Shoaib等21设计了一款名为 CarNeck 的颈椎外骨骼,如图 3(e)所示。其在颈椎康复机器人领域首次使用了混合式绳驱动。其由一个混合式和两个连接式拮抗驱动关节组成,其中混合式驱动关节由一根绳缆与两侧的滑轮连接,由另一根绳缆直接拉动驱动关节上侧的连杆旋转,继而带动驱动关节运动。每个
22、自由度都由一个最小张力为2N 的绳驱单元控制。经过仿真分析验证,其能够实现三自由度的活动,能够覆盖完整的自然头部旋转空间。其临床治疗效果有待验证。墨西哥国立理工学院的 Guzman-Victoria 等22针对由于外力或屈曲过度引起的颈部鞭打综合征设计了一种用于颈椎康复的主动型颈椎矫形器,如图 3(f)所示。其固定支撑部分由一个名为 EVS-r4 的颈部矫形器构成,材料为碳纤维,该部分质量为 0.635kg,比较轻便。其移动部分通过 3D 打印制成,材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,整体比较轻便。其底座与旋转机构各有一个电机用于驱动整个设备。控制部分采用了自适应滑模阻抗控制,可以使患者在人机交互过
23、程中获得主导权,也可以进一步根据患者的情况调整阻抗参数,为患者在治疗过程中提供更好的治疗体验。经过假人实验验证,其可实现侧屈抗阻运动,可用于颈部鞭打综合征的治疗。斯坦福大学及墨西哥国立理工学院的Lozano等23,24提出了一种具有四自由度的主动式颈部矫形器,如图 3(g)所示。该主动式颈部矫形器采用了类似四腿Stewart 平台的结构,通过 4 个推杆电机推动头颈部辅助运动。控制层面通过具有状态限制的鲁棒控制策略来调节设备的动态特性。鲁棒控制策略基于具有状态相关增益的一阶滑模控制器,该一阶滑模控制器在接近状态限制时使其趋于发散。相较于经典的 PD 控制策略,该控制策略的鲁棒性可高出 8 倍(
24、考虑两种情况下的鲁棒和精确观测器)。经过人体实验验证,该主动式颈部矫形器可实现前屈、后伸、左右侧屈的动作,其实现的活动范围分别为前屈 51.79%、后伸50.00%、左侧屈 37.69%、右侧屈 32.26%,可实现对颈椎病患者的辅助治疗。埃及埃尔绍鲁克学院及赫勒万大学的Ibrahem 等25设计了一种 3-RPS 的并联动力颈椎外骨骼,如图 3(h)所示。该外骨骼由固定基座和动平台组成。固定基座由 3 个相同的支撑臂连接。每个支撑臂由 3 个关节(球关节、旋转关节和移动关节)组成。肢体通过球关节与动平台连接,通过旋转关节与固定基座连接,移动关节由直线电机驱动。控制层面采用 PD 位置控制,通
25、过对由弹簧与假人组成的人体模型进行实验,可实现前屈、后伸、左右侧屈的动作,能够在-8.10 0.02 8.12 0.01 范围内应用屈曲/伸展,准确度分别为99.57%和 99.42%,将运动限制在正常范围的 12%(-65 67)。右左侧屈运动范围为-6.97 0.01 7.02 0.01,准确度分别为 99.89%和 99.48%,侧屈运动限制在正常范围(-42 41)的 17%,可实现一定的颈椎牵引治疗功能,但对作用于人体时的治疗效果有待进一步验证。生物医学工程学进展2023 年第 44 卷第 2 期 生物医学仪器与康复工程 153 (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)图 3
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