下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用

1、中国组织工程研究第16卷第4期20120122出版Chinese Journal of Tissue Engineering Research January 22, 2012 Vol.16, No.4 ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 597 1Department of Rehabilitation Medicine, the Sixth Peoples Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, China; 2the Human Cente

2、red Robotics & Automation, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, ChinaWan Da-qian, Studying for masters degree, Department of Rehabilitation Medicine, the Sixth Peoples Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, Chinawdqwdq1986126. comCorrespondence to: Bai

3、Yue-hong, Chief physician, Department of Rehabilitation Medicine, the Sixth Peoples Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, ChinaSupported by: Cross Foundation Major Project of Engineering and Medicine of Shanghai Jiao Tong University, No. YG2010ZD101*Received: 2011-09

4、-17 Accepted: 2011-10-05下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用*万大千1,徐义明1,白跃宏1,殷跃红2Application of lower limb exoskeletons rehabilitation robots in rehabilitation treatment of activity limited knee jointWan Da-qian1, Xu Yi-ming1, Bai Yue-hong1, Yin Yue-hong2AbstractBACKGROUND: Limb exoskeletons rehabilitation rob

5、ots can stimulate the natural resilience of body through simulated humanmovement to achieve tissue compensation based on its theoretical basis of continued combined active and passive activities.OBJECTIVE: To dynamically observe and realize the rehabilitation effect of limb exoskeletons rehabilitati

6、on robots on functionalexercise of patients with activity limited knee joint.METHODS: Twenty early postoperative patients with activity limited knee joint were divided into experiment group and controlgroup randomly. The functional exercise with limb exoskeletons rehabilitation robots was performed

7、in the experiment group. Thecontrol group underwent functional exercise with passive training devices CPM. Psychological guide, low-frequency pulseelectrotherapy and infrared physiotherapy were performed in both groups during the treatment.RESULTS AND CONCLUSION: The active degree of retroflexion an

8、d protrusive movement of knee joint in all cases wasimproved. The muscle strength of the quadriceps femoris in experiment group was significantly improved after treatment (P <0.01. The active degree of retroflexion and protrusive movement of knee joint in experiment group was further improved aft

9、er 2months follow-up treatment (P < 0.01. The indexes above did not change in control group. The results showed that theapplication of limb exoskeletons rehabilitation robots or passive training devices CPM combined with psychological guide,low-frequency pulse electrotherapy and infrared physioth

10、erapy both could significantly improve the active degree of retroflexionand protrusive movement of knee joint in patients with activity limited knee joint, at the same time, the limb exoskeletonsrehabilitation robots could recover the muscle strength of the quadriceps femoris.Wan DQ, Xu YM, Bai YH,

11、Yin YH.Application of lower limb exoskeletons rehabilitation robots in rehabilitation treatment of activitylimited knee joint .Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2012;16(4: 597-600.摘要背景:下肢外骨骼康复机器人以持续主被动活动联合为理论基础,通过模拟人体运动,刺激机体的自然复原力,发挥组织代偿作用。目的:动态观察并了解下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限患者功能锻炼中的康复作用。方法:将20例术后早期膝关节活动受限患者

12、随机等分为实验组与对照组,实验组采用下肢外骨骼康复机器人行肢体功能锻炼,对照组采用被动训练装置CPM机行功能锻炼,治疗间隙2组均采用心理疏导、低频脉冲电疗和红外线等物理治疗。结果与结论:治疗2个月后,实验组与对照组患者膝关节后屈、前伸活动度均较治疗前明显改善(P < 0.01,同时实验组股四头肌肌力较治疗前明显改善(P < 0.01。2个月后的后续治疗,实验组患者膝关节后屈、前伸活动度有了进一步的改善(P <0.05,对照组上述指标无明显改善。说明早期采用下肢外骨骼康复机器人或CPM机配合心理疏导、低频脉冲电疗和红外线等治疗均能明显提高膝关节活动受限患者膝关节活动度,同时下肢

13、外骨骼康复机器人具有恢复患者股四头肌肌力的作用。关键词:下肢外骨骼康复机器人;CPM;膝关节活动受限;肌力;数字化骨科万大千,徐义明,白跃宏,殷跃红.下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用J.中国组织工程研究,2012,0 引言股骨、髌骨和胫骨骨折在复位和固定后易造成膝关节活动障碍,传统康复治疗方法是采用CPM机进行被动训练来恢复关节活动度。而下肢外骨骼康复机器人则以持续主被动活动联合为理论基础,通过模拟人体运动,刺激机体自然复原力,发挥组织代偿作用。早期采用下肢外骨骼康复机器人进行功能锻炼,可增加关节软骨的营养和代谢活动,加速关节软骨和关节周围组织的损伤修复,刺激具有双重分化能

14、力的细胞向关节软骨转化,增加股四头肌肌力,并可缓解关节损伤或术后引起的疼痛,起到减小痛苦、快速消肿、消除关节粘连、有效改善关节活动度、降低关节强直发生率、促进损伤软骨自身修复的作用。同时由于下肢外骨骼康复机器人采用模拟人体运动,对患者的心理治疗也极其突出。本文对20例膝关节及其远近段骨折术后关节活动受限患者进行了相关研究。1 对象和方法设计:临床对比观察实验。万大千,等. 下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用 598www.CRTER .org1上海交通大学附属第六人民医院康复医学科,上海市 200233;2上海交通大学机器人研究所,上海市 200233万大千,男,1986年生

15、,黑龙江省哈尔滨市人,汉族,上海交通大学附属第六人民医院在读硕士,主要从事骨关节疾病的康复治疗研究。wdqwdq1986 通讯作者:白跃宏,主任医师,上海交通大学附属第六人民医院康复医学科,上海市 200233aibyhw126. com中图分类号:R318 文献标识码:A文章编号:1673-8225 (201204-00597-04收稿日期:2011-09-17修回日期:2011-10-05 (20110805001/GW ·L时间及地点:于2010-09/2011-03在上海交通大学附属第六人民医院康复科完成。对象:膝关节动能障碍诊断标准:膝关节活动角度无法自主达到正常范围区间的

16、患者。纳入标准:经临床检查骨折术后膝关节功能运动受限患者。X 射线示骨折端无明显移位,无神经损伤,骨折局部均有骨痂形成。均为闭合性损伤者。患者对治疗知情同意。排除标准:不稳定性骨折,未得到有效控制的严重术后感染、高血压、肥胖等禁忌证及无法耐受康复训练者。不能长期坚持康复治疗或不遵医嘱者。纳入2010-09/2011-03在上海交通大学附属第六人民医院康复医学科治疗的股骨近端、胫骨平台、髌骨骨折经复位及固定后导致膝关节动能障碍患者20例,其中男13例,女7例;年龄2472岁,平均48.1岁;病程72106 d ;左侧膝关节8例,右侧12例;摔伤9例,车祸撞伤11例;其中股骨干骨折9例,胫骨平台骨

17、折7例,髌骨骨折4例;将20例随机等分为下肢外骨骼康复机器人组(实验组和CPM 传统治疗对照组。仪器:下肢外骨骼康复机器人是由上海交大附属第六人民医院与上海交大机器人研究所共同研制开发的新型康复设备,CPM 机采用美国OPTIFLEX 公司生产的OPTIFLEX3-2090型下肢关节康复训练器。低频脉冲电疗仪采用日本HOMER ION 公司生产的Tens 21型神经肌电促通仪。红外线采用韩国WONHYO SOLMEO 公司生产的IRH-3100型红外线治疗仪,CYBEX 机器采用CYBEX-6000型。干预方法:治疗方法:两组患者均常规进行心理疏导、低频脉冲电疗和红外线等治疗。实验组同时增加下

18、肢外骨骼康复机器人康复治疗,对照组增加CPM 机康复治疗。其中:心理治疗:根据患者治疗中出现的各种状态给予暗示、行为疗法、鼓励疗法及全身松弛手法治疗等合理的情绪治疗1,并反复强调主观能动性的作用,使患者积极配合,保证训练按计划进行。心理疗法贯穿整个康复治疗过程,尤其在对患者的治疗信心上起着重要作用。低频脉冲电疗:电极置于膝关节处,频率<100 Hz ,波宽0.01 ms ,1次/d ,20 d ,20 min/次。红外线治疗:辐射器垂直照射膝关节上方,距离40 cm ,1次/d ,20 d ,20 min/次。下肢外骨骼康复机器人治疗:关节活动度康复训练,患者直立位,双下肢置于康复机器人

19、,调整运动轴心,使之完全与康复机器人吻合,固定。关节活动度训练根据每次治疗前测定的膝关节主动后屈角度设定治疗角度(初始治疗角度<测试角度10°20°,后逐渐增加角度至每个屈伸终末端略感轻微疼痛,并可耐受10 s ,运动速度50 s 为1个周期,在训练的30 min 内根据患者的耐受情况增加二三次角度;治疗结束后记录度数;下次治疗时根据前次记录最后达到的度数减去10°20°为起始度,再逐渐增加角度;肌力训练,根据初始测定肌力的大小设定运动时辅助力量大小,以可以辅助患者进行正常步态行走为标准,无肌力患者采取完全被动训练,运动速度50 s 为1个周期,每

20、次30 min 。CPM 康复训练:患者取平卧或半卧位,角度设定原则同机器人关节活动度设定。疗效评定:关节活动度测量:两组患者由专人于每日的同一时间、同一地点、相同光线照射下,以相同方法,相同角度测量工具测量患肢膝关节主动伸屈的活动度,测量时患肢前伸呈水平位,以股骨外上髁为轴心,患者主动屈伸所能达到的最大角度。股四头肌肌力测定:由专人于每日的同一时间、同一地点、相同温度下,患者坐位,使用CYBEX 机器进行股四头肌肌力向心收缩测试,测定前一起自动对测试系统进行系统校正。选择测试的速度为慢速60(°/s ,中速120 (°/s ,快速180 (°/s 。测试前按照标

21、准程序进行参数的设定,向患者详细讲解测试注意事项并使患者做适当的准备活动。测试按快速、中速和慢速的顺序进行。每组测试前先做3次屈伸准备动作,随后尽全力做膝关节屈伸运动,慢速与中速测试时各做5次屈伸动作,快速做10次屈伸动作。每组之间休息间隔20 s 。详细记录每例患者的峰力矩。主要观察指标:治疗2个月及后续治疗中两组膝关节活动度及肌力变化。统计学分析:采用SSPS 15.0统计学软件对所得数据进行统计学分析,P < 0.05为差异有显著性意义。2 结果2.1 参与者数量分析 按意向性分析处理,20例患者均进入结果分析。万大千,等. 下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用 I

22、SSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH599www.CRTER .org2.2 两组基线资料 见表1。两组年龄、性别构成及治疗前膝关节活动度、股四头肌肌力差异均无显著性意义,具有可比性。 2.3 随机分组流程图2.4 治疗2个月时两组膝关节活动度变化 两组患者膝关节主动后屈、前伸角度与治疗前比较均有明显改善,见表2。2.5 治疗2个月后的后续治疗两组膝关节活动度变化 实验组膝关节主动后屈、前伸角度分别为(107.58± 22.11°,(0±0.05°,较治疗2个月时明显改善(P < 0.01,而对照组无显著

23、变化,分别为(99.46±23.19°,(0±0.18°。且实验组膝关节主动后屈、前伸角度优于对照组(P < 0.01。2.6 治疗2个月后两组股四头肌肌力改善情况 经cybex 检测股四头肌肌力,实验组较治疗前明显改善,对照组肌力恢复较治疗前不明显,见表3。 2.7 不良反应 未见其他不良反应。3 讨论膝关节是人体最大、最复杂的滑膜关节,作为下肢重要的行走和负重关节,其病损最为常见。股骨、髌骨和胫骨骨折复位与固定后极易引起膝关节功能障碍,原因主要与损伤后关节内外组织粘连及术后制动时间过久有关。由于手术后关节功训练炼非常困难。自主锻炼往往不能坚持,

24、很难达到理想的效果。Salter 2在20世纪70年代初提出了关节持续被动运动的概念,研究表明持续被动活动可刺激关节软骨有限的愈合能力,促进全层软骨损伤的愈合,同时还可有效地预防关节内粘连,防止创伤性性骨关节炎的发生3。因此膝关节功能障碍时康复重点是改善膝关节屈曲功能及股四头肌肌力的恢复。运动实验证明,术后关节制动3 d 即可发生关节粘连4。由于术后的固定,关节在制动情况下,常因周围软组织损伤、关节内出血,出现胶原纤维的沉积,最终成为纤维组织,即可发生关节内外粘连和肌肉内部纤维化,导致关节僵硬5。传统治疗方法是采用CPM 机在被动情况下反复、多次及持续牵伸膝关节,使粘连组织中相邻胶原分子之间横

25、键裂解,产生塑性延长6,促进胶原分子在关节腔内相互流动,使膝关节活动范围明显增加;粘连松解,关节活动改善;此外持续被动运动带动膝关节运动,不断将刺激信号经关节囊的神经末梢上传到神经中枢,抑制痛觉信号的上传,使患者痛阈上调,从而缓解关节疼痛7;在治疗中角度的设定因人而定,均要准确,牵伸时仅有轻度酸胀、疼痛感,避免再次损伤造成软组织粘连。传统CPM 法在治疗早期虽然对关节万大千,等. 下肢外骨骼康复机器人在膝关节活动受限康复治疗中的应用 600www.CRTER .org活动度的恢复有着较好效果,但它是以被动训练性为主,所以对股四头肌肌力的恢复无法起到相应的作用,治疗后期极易发生股四头肌萎缩。尽管

26、CPM 的主要作用是使被训练关节达到最大程度的活动度,但由于股四头肌的失用性萎缩,所以其对关节主动活动度的改善是有限的。而下肢外骨骼康复机器人采取主被动联合训练的方式,在对关节活动度进行训练的同时,通过模拟正常人走路的自然步态姿势,对下肢同时进行主动抗阻的训练,激发患者潜能,在治疗后期避免了由于股四头肌失用性萎缩而导致的关节主动运动度降低,能够最大限度的恢复关节活动度。其次,由于下肢外骨骼康复机器人是采取患者直立模拟正常人行走的姿势,对患者的心理上的治疗也是极其重要的,可充分调动患者的主观能动性,积极配合医生进行康复训练,配合常规疗法中的心理治疗,对患者的恢复起到了积极作用8。另外常规物理治疗中的低频脉冲电疗、红外线等治疗作用部位较深,在皮层产生痛觉