无绳膝关节康复机器人：开启家庭等速训练新篇章

为解决现有康复设备的局限，研究人员开发无绳膝关节康复机器人，其效果优于商用设备，助力家庭康复。

　　

一、研究背景

膝关节损伤，如韧带撕裂、半月板损伤和脱臼等，影响着全球数十亿人的行动能力，不仅会导致慢性疼痛，还会降低生活质量。目前，增强相关肌肉的力量、爆发力和平衡能力的增强式康复训练（plyometric rehabilitation training）是膝关节损伤的常用治疗方法。其中，等速训练（isokinetic training）因能让肌肉在关节运动的整个范围内产生最大张力，同时具备安全机制和可监测康复进度的优势，在膝关节康复中备受关注。例如，在前后交叉韧带（ACL、PCL）损伤以及骨关节炎（OA）等疾病的康复中，等速训练都展现出了良好的效果。

然而，现有的等速训练设备存在诸多问题。像 Biodex、Kineo 等商业设备，虽然代表了当前等速训练技术的前沿水平，但它们普遍体积庞大、重量沉重且能耗极高。这些设备通常需要高功率驱动模块和外部电力支持，还配备了如能量供应模块、电源变压器和控制舱等外部硬件。以 Biodex 系统为例，它需在 230V 电力下工作，功耗高达 3450W，重量超过 600kg。这使得等速康复训练大多只能在设备齐全的医院或康复中心进行，极大地限制了患者的康复机会。因此，开发一种紧凑、轻便且能用于家庭康复的等速训练系统迫在眉睫。

为了解决这些问题，来自北京航空航天大学、中国科学技术大学、北京大学第三医院等机构的研究人员开展了相关研究，致力于开发一种新型的膝关节康复机器人。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为膝关节康复领域带来了新的希望。

二、研究方法

1. 机器人设计与工作原理：研究人员开发了一种高度集成的无绳膝关节康复机器人。该机器人的驱动模块高度集成了角度传感器、电机、控制电路和扭矩传感器等关键组件。它利用电机绕组短路（MWS）策略，将患者运动产生的多余机械能转化为电能，实现能量再生，从而摆脱了对外部能源的依赖，成为一个完全无绳的系统。等速训练则通过对机器人提供的阻尼进行实时闭环控制来实现。
2. 临床试验：研究人员进行了两项主要的临床试验。一项是针对 10 名健康受试者和 10 名术后受试者的测试，以验证机器人无绳等速训练的可行性；另一项是针对 10 名膝关节术后患者的为期 6 周的干预性临床试验，评估机器人对患者膝关节功能恢复的效果。在试验中，受试者的受伤腿接受训练，健康腿作为对照。试验过程中，研究人员通过磁共振成像（MRI）测量受试者大腿肌肉的横截面积（CSA），评估肌肉形态的变化；利用机器人内置的扭矩传感器测量肌肉力量，以评估康复效果。

三、研究结果

1. 无绳等速训练机器人及工作原理验证：通过对 20 名受试者（10 名健康受试者和 10 名术后受试者）的测试，验证了机器人的无绳工作原理。在测试中，记录受试者在八次重复运动中的再生能量和消耗能量，计算平均再生功率（Preg）和消耗功率（Pcon）。结果显示，健康受试者的平均效率比η=Preg/Pcon达到 212%，最高记录值为 373%；术后受试者的平均效率比为 186%。这表明机器人能够实现无绳等速训练，且在不同身体状况的受试者中均表现良好。
2. 肌肉形态改善：10 名术后受试者参与了为期 6 周的康复计划，每周进行 2 次训练，每次训练包含四个练习，每个练习进行八次抬腿 - 回缩动作。通过 MRI 测量训练前后大腿肌肉的 CSA 发现，训练腿的股四头肌 CSA 平均增加了2.92±1.46cm2，增长率为5.93±3.3%；腘绳肌 CSA 平均增加了2.42±1.25cm2，增长率为10.27±5.5%。而未训练腿的肌肉 CSA 增长则不明显，这充分证明了该康复机器人在促进肌肉生长方面的有效性。
3. 肌肉力量增强：经过 6 周的康复训练，受试者不仅肌肉形态发生了明显变化，股四头肌和腘绳肌的肌肉力量也显著增强。训练前，10 名受试者的平均最大抬腿扭矩和回缩扭矩分别为30.6±9.6N?m 和24.6±10.4N?m；训练后，这两个值分别上升到51.9±16.4N?m 和45.1±8.6N?m，分别增长了 70% 和 84%。在整个实验过程中，未观察到严重的不良事件或意外影响。
4. 与商业设备的疗效比较：将该研究中机器人的康复效果与商业等速训练机器人进行比较，发现该机器人在股四头肌 CSA 增长率（5.9%）和抬腿扭矩增加（70%）方面，均显著高于商业康复设备（如 CONTREX MJ，其股四头肌 CSA 增长率为 3.7%，抬腿扭矩增加为 35.9%）。这进一步证明了该机器人在膝关节康复治疗中的优势。

四、研究结论与讨论

这项研究成功开发了一种无绳膝关节康复机器人，能够为家庭等速训练提供有效的支持。该机器人通过创新的 MWS 策略实现了能量再生，摆脱了外部电源的束缚，使其更适合家庭使用。临床试验结果表明，该机器人在促进肌肉生长和增强肌肉力量方面效果显著，且优于现有的商业康复设备。

然而，该研究也存在一些局限性。例如，机器人主要适用于康复中后期的患者，目前的设计仅针对膝关节术后康复训练，尚未验证其对其他关节等速训练的有效性，且系统仅支持向心等速收缩，训练方案也未根据个体临床情况进行定制。此外，由于处于实验验证阶段，难以准确评估其与商业设备的成本差异。

尽管如此，该研究成果为膝关节康复领域带来了新的突破，为家庭康复提供了更便捷、有效的选择。未来，研究人员可以针对这些局限性进一步改进，如拓展机器人的适用范围、增加训练模式、优化训练方案等，以推动康复技术的发展，为更多患者带来福音。