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user: 4. CAREN应用于卒中步态康复 4.1. CAREN系统简述 CAREN康复系统拥有一个以定量分析为主，结合观察分析的一种步态分析系统，该系统同时还兼顾步态训练、评定等功能的多功能、综合型康复系统。临床工作中，对患有神经系统或骨骼肌肉系统疾病而可能影响行走能力的患者需要进行步态分析，以评估患者是否存在异常步态以及步态异常的性质和程度，为分析异常步态原因、矫正异常步态及制订治疗方案提供必要的依据 [ 21 ] [ 22 ] 。CAREN康复系统包涵上述介绍的现代改善卒中患者步态设备中的多项关键技术，其中包括压力感受平台、可以高度自由的活动运动跑台、可以用于减重的安全绳及配套的安全服、虚拟现实技术。 其中，CAREN系统的虚拟现实技术区别于时下相对流行的视觉虚拟现实技术(VR)有着更好的人机交互人能力，它通过270˚的广角投影将虚拟环境投影在受试者几乎全部的视觉范围内，同时还能够通过12个红外线摄像头全程捕捉受试者的动作并做出反应。患者可以通过运动平台测力台、运动捕捉系统(光学、磁感应、惯性分析)、模拟信号设备(肌电图、脑电图等)将自身信息作用给CAREN康复系统；CAREN康复系统可通过运动平台、运动跑台、全景三维环境、声音反馈给受试者。变单一视觉交互为动作、视觉、听觉的全面交互，丰富了人机交流手段，细化了运动产生过程，使指导和分析变得更加精确。 除此之外，CAREN康复系统还有三项区别于传统康复设备的独创技术及康复环境。即步步态离线分析工具(Gait Off-line Analysis Tool， GOAT)；肌肉力量跟踪可视工具(human body muscle skeletal， HBM)；围卡伦康复系列设备组线下训练指导评估。 4.2. CAREN系统独创技术分析 4.2.1. HBM技术的应用 HBM是一个专业为CAREN设计的软件系统，该系统具备self-threaded算法和三维空间人体模型架构两个功能。通过vicon系统收集标记于患者身上的三维位置数据，将身体标记在x，y和z轴，实时的创建一个仿真人体模型，采样的频率为120赫兹，获取数字化的信息，数据统计可以量化。与传统步态分析相比，卡伦系统提供实时的步态分析、步态脱机分析工具、HBM (Human Body Model)、步态训练程序。肌肉力量的产生和传导是一个神奇的过程，是康复治疗学及人体工程学研究的重点，但该过程是不能够通过肉眼或者其他观测手段进行直观的观察的，而卡伦康复系统中的步态分析工具却能够让肌肉力量变得实时可见(见图1、图2)。 通过图1可以清楚的看见，CAREN康复系统通过人体的所有marker点在电脑上形成了一个由点线组成的图形，根据该图形，电脑能够从新塑造实时运动的人体模型，动作捕捉、受力分析(测力跑台)、数理统计，同时完成，不仅如此，还能保存和上传视频资料，供采用同样系统的治疗师和临床医师讨论治疗方案。 4.2.2. GOIT对训练程式设定的指导作用 传统的训练设备往往一旦进入相应的训练模式就几乎没办法调整训练计划，CAREN康复系统可以通过其独有的GOIT做到对患者每日训练进行即时的步态分析。传统步态分析可以按照其分析过程的应用分为观察分析、定量分析 [ 23 ] 。其中，观察分析即为通过康复师或医师对患者具体情况进行直接观察或间接观察(录像、照片)的方式 [ 13 ] 。定量分析即为通过实验设备，对患者步行中具体的各项步态分析参数进行测量、分析的一种分析方式 [ 24 ] [ 25 ] 。相对观察分析而言，定量分析实验方式较为复杂，部分定量分析方式还对实验地点有着特殊的要求(比如三维步态分析，只能在实验室中进行)，但这种分析方式同时也相对精准、客观，不容易出现误差 [ 26 ] 。 图1. HBM仿真人体模型的创建 图2. Mark点的选取 但传统步态分析方式不管是观察分析还是定量分析大部分都无法直接的、准确的给出分析的结果；部分分析结果看似准确但由于其无法为患者提供相对真实客观环境，导致患者在面对某些特殊室外环境时出现与分析结果相去甚远步态。 GOTA可以通过对患者步行的视频进行分析进而直接产生步态报告。这是一种能够同时进行数据后处理/过滤选项、广泛的交互式数据分析方式。它可以记录患者的每个步态周期内所做出的动作，并将其加入到系统生成的模拟人中去计算步态参数的平均值、标准差和异常步态参数。GOAT还可以当作康复师和医师之间的通信工具，通过其模拟出的人体模型可以实现康复师和医师之间针对于患者具体情况的意见交换，有利于从多种角度制定患者的康复计划。它可以同时显示用户的G-TAIL视频资料，动作捕捉数据，地面反作用力，并制定一组交互的数据图表，记录的步态数据可以加载离线加工和分析，包含数据时空参数、运动学参数和动力学参数。在GOAT生成的个人数据图表中点击某一个步态周期，所有其他数据自动同步到该步态周期，同步后数据该患者导出文本文件、图表信息甚至一个完整步态分析报告(见图3)。 下图为两个患者的关节角度及关节活动度的报告，左图的患者一个步态周期的各个时相内的关节角度明显十分接近正常值，即灰色部分；而右图的患者在关节活动度上虽然能基本达到正常步态的要求(最大值可以接近灰色的最大值)，但其在一个步态周期内明显关节角度紊乱，每次跨步的角度间差异较大，且与正常值成半周期差，说明该患者不仅步态较差，而且存在较高的跌跤风险。从这一点来看，传统的关节角度改善并不能证明患者的步态改善，这在之前的步态改善设备中是完全无法观察到的。 图3. 来自CAREN系统的患者文本文件、图文信息及步态报告(包括关节角度及力矩) 4.2.3. 线下训练指导与评估 首先，CARRN训练虽然相对目前传统的其他训练设备优势明显，但也同时存在消费水平高、人力资源匮乏的现象。根据国家发改委、物价管理局对于CAREN康复系统的治疗费用审核，正式将一次为时30 min的CAREN训练定价为900 RMB，结合我国国情，实在是一笔不菲的费用。同时，具有正式CAREN操作资质的操作人员较少，也决定了CAREN康复系统难以快速地、经济地走进患者的视野，这就对CAREN系列康复设备组提出了要求。 CAREN系列康复设备组可以通过网络与CAREN系统主控设备联网，收集患者数据，应用GOIT随时对收集到的数据进行分析，做到边训练边指导。同时，CAREN系列康复设备组的价格相对便宜，其中的每一个设备都代表CAREN的某一项核心技术，更适宜患者的专门训练，可以综合应用到卡伦康复后期，巩固患者已经在CAREN得到的治疗效果。目前，我院已配备的围卡伦康复系列设备组包括Amadeo康复机器手、Diego上肢双侧机器人、ReoAmbulator下肢康复机器人、Doctor Kinetic动能医生、DynStable三维虚拟现实姿态控制训练系统。此类围卡伦线下康复设备均为采用了CAREN康复系统某一部分功能的设计理念，可以说是CAREN系统的线下延伸，经过为期18个月的投入使用，得到了良好的治疗评价和实际康复效果。 Sessoms， P.H. [ 27 ] 观察使用计算机辅助康复环境(Caren)对接受前庭运动疗法的受试者重心转移和步态的改善进度变化。两组患者每天一次训练：一组交替做Caren和传统前庭运动疗法每天一次，共12次，另一组只做(Caren)每天一次，共12次。这两组相互比较并与健康对照组在Caren执行相似的任务数据比较结果显示，那些参与12 (Caren)训练的患者在步态速度已经有大的改善(P = 0.014)和重心转移(P < 0.001)的得分表现出了类似的健康对照人群相同数据。 CAREN系列康复设备组的广泛应用或许能够改变现状，降低患者的康复费用，在未来计算机辅助康复环境经过大量样本的临床实验，康复系统会更加完善，加上计算机辅助康复环境具有实时反馈监控、训练难度可控和完美的评价系统可以实现康复治疗师在对患者进行准确诊断之后将数据输入计算机辅助康复环境，让患者自行在系统中训练，治疗只需要做好监控就可以，由一对一转变为一对多，患者由被动康复转变为主动康复，可提高康复的效果和效率。