COPD患者的呼吸康复训练机器人的研究与开发

发布时间：2020-09-16 06:50

　　作为一种进行性阻塞性呼吸疾病,慢性阻塞性肺病(COPD)对人类(尤其是老年人)的生理健康造成了极大的危害,居全球死亡原因第三位。患有COPD的患者伴随多种症状:呼吸不适、体内气体残余、四肢乏力、呼吸困难、咳嗷、营养不良等,不接受有效治疗的话极易引发肺癌、冠心病等并发症,极大地危害和影响着人们的日常生活。呼吸康复训练是除药物治疗外唯一有效的物理康复手段,能够增加患者通气量,提升患者的呼吸肌机能,增强患者的体质,促进疾病康复。但是由于患者受呼吸困难的困扰,训练依从性不佳,难以坚持持续有效的康复训练。为此,本文创新地提出了一种利用机器人辅助的方式帮助COPD患者进行呼吸康复训练,这种呼吸康复机器人,能够通过减轻患者上身重量,帮助COPD患者减轻呼吸负担,提升患者的呼吸训练依从性,并提升患者的呼吸肌机能。本文主要研究工作为机器人的结构设计、控制系统设计以及相关的验证实验。该机器人由三个电机进行驱动,能够实现三个不同自由度的运动,分别是竖直方向的抬升运动、对于患者手臂的推拉运动以及对患者腹部的挤压运动。前两种运动能够减轻患者上身重量,并使其胸腔得到扩张,后者通过挤压患者腹部能够帮助患者排出体内废气,促进气体交换。本文另一创新点是利用呼吸传感器、运动传感器等传感器,该机器人能够测得患者的呼吸信息以及运动状态,从而根据患者的呼吸信息改变辅助状态,使得患者的呼吸康复训练动作能和其自身的呼吸运动相匹配,确保患者得到最为舒适的辅助训练。在本文的验证实验中,一种是利用无线表面肌电系统,通过比较静态下和训练状态下实验对象的呼吸肌肌电信号来分析其效果,我们发现训练状态下膈肌的运动强度比静态下显著降低;我们还利用VICON运动捕捉系统来比较实验对象在静态和训练状态下胸腔和膈肌的运动幅度,发现训练状态下两者的运动幅度比静态要低;利用K4b2心肺功能测定仪来精确测量患者静态和训练状态下O2输入、CO2的输出量,发现训练状态下两者的量也比静态下要低。这一系列的验证实验,均证明了在获得同样供氧的情况下,该机器人能够很有效地减轻患者负担和呼吸肌的消耗。同样,我们还研究了实验对象呼吸和训练动作之间的相位关系,有助于实现呼吸和训练动作的匹配。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH789;TP242
【部分图文】：

肺部,呼吸运动,运动捕捉,系统研究

就是人体胸腔的运动，因此很多科学家利用先进的科学技术手段通过巧究人体胸逡逑腔的运动来研究人体呼吸。Ｊｏｓｅｐｈ邋Ｅ．邋ＭｃＮａｍａｒａ和他的研究团队利用ＶＩＣＯＮ运逡逑动捕捉系统来研究呼吸运动，如下图１．１所示，患者胸腔放置８个ｍａｒｋ点，通逡逑诵逡逑灥逦．＊：ｒ记—＇之；：逡逑ｙＰｒａＳＴ……Ａ邋Ａｒｅａ邋ｉｓ邋ｕｓｅｄ邋ｆｅｒ邋ｉｆｆｕｓｔｒａｉｌｏｔｉ邋ｏｆ邋ｆｉｇｕｉｔ邋３．逡逑图１．１运动捕捉系统研究呼吸运动ｗ（上）肺部网格模型来预测肺部运动ｔｗ（下）逡逑６逡逑

辅助机器,呼吸肌,相关研究,系统对

佳的治疗效果。比如Ｍａｒｉｅｋｅ邋Ｌ．邋Ｄｕｉｖｅｒｍａｎ＾教授和他的团队利用无线表面％电逡逑系统比较了邋ＣＯＰＤ患者和正常人之间的呼吸策略的不同，在同样呼巧负载的情逡逑况下，他们发现两者呼巧肌的活动是不一样的，如图１．２所示。逡逑１１！邋１逡逑图１．２表面肌电系统对呼吸肌的研究逡逑（３）呼巧康复辅助机器人的相关研究逡逑美国胸科协会（ＡＴＳ）对肺康复治疗的定义是通过诊断和治疗、疾病知识教育逡逑和也、理支持．根据患者自身具体情况而制定的综合性多学科治疗方窠．用１＾稳逡逑定、逆转肺疾病的病情和患者记、理的改变，争取患者在具体肺功能或生理功能损逡逑害和全身生理状况不佳的情况下，能最大地发挥呼吸功能，从而尽可能恢复身逡逑７逡逑

呼吸肌,大学,机器人,手段

【参考文献】