外骨骼下肢康復(fù)機器人在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用進展①

李宏偉，張韜，馮垚娟，林海丹，白定群

外骨骼下肢康復(fù)機器人在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用進展①

李宏偉，張韜，馮垚娟，林海丹，白定群

外骨骼下肢康復(fù)機器人根據(jù)其輔助步行訓(xùn)練的特點可分為基于平板訓(xùn)練的機器人和平地行走訓(xùn)練機器人。這兩類外骨骼下肢康復(fù)機器人均在亞急性期和慢性期腦卒中患者康復(fù)中得到應(yīng)用，對腦卒中患者步態(tài)、平衡功能的改善，以及下肢運動功能恢復(fù)有一定臨床意義。

腦卒中；外骨骼下肢康復(fù)機器人；運動功能；康復(fù)；綜述

[本文著錄格式]李宏偉，張韜，馮垚娟，等.外骨骼下肢康復(fù)機器人在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用進展[J].中國康復(fù)理論與實踐, 2017,23(7)：788-791.

CITED AS：Li HW,Zhang T,Feng YJ,et al.Application of exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot in stroke rehabilitation (review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(7)：788-791.

腦卒中患者大都伴有不同程度下肢運動障礙，即使經(jīng)過適當?shù)目祻?fù)治療，也有30%～40%患者存在限制性或喪失步行能力[1]。步行功能受限不僅嚴重影響患者日常生活活動及心理狀態(tài)，也增加其家庭乃至社會的負擔(dān)[2]。傳統(tǒng)的神經(jīng)促進技術(shù)以及步行訓(xùn)練能夠一定程度改善運動功能，但這種依靠治療師一對一徒手治療，難以達到精準重復(fù)、有針對性的早期高強度訓(xùn)練目標。日益發(fā)展的醫(yī)療技術(shù)不僅能大大提高腦卒中患者的存活率，還為其康復(fù)提供了更先進的技術(shù)保障[3]。外骨骼下肢康復(fù)機器人是近年發(fā)展較快的一項新技術(shù)，它不僅支持力量較弱的患者進行早期減重狀態(tài)下模擬正常步態(tài)行走，提供個性化的步行訓(xùn)練方案，改善下肢運動功能障礙，還能減輕治療師負擔(dān)，節(jié)約社會資源[4]。

1 分類

外骨骼下肢康復(fù)機器人根據(jù)其輔助步行訓(xùn)練的特點可分為兩大類：基于平板訓(xùn)練的機器人(treadmill-based exoskeleton robot)和平地行走訓(xùn)練機器人(over-ground exoskeleton robot)[5]。

1.1 基于平板訓(xùn)練的機器人

1.1.1 系統(tǒng)組成

Lokomat是世界上第一臺將運動平板與外骨骼機械腿相結(jié)合的減重步行訓(xùn)練機器人[6]。該型訓(xùn)練機器人主要由懸吊減重支持系統(tǒng)、下肢外骨骼步態(tài)矯正器和跑臺及其控制系統(tǒng)組成。其中步態(tài)矯正器的兩條機械腿包含有動力驅(qū)動裝置和敏感的傳感器件。使用時，將機械腿與人體下肢綁定，通過機械腿模擬正常步態(tài)，帶動雙腿進行協(xié)調(diào)擺動，完成步行訓(xùn)練。此類機器人還包括ALEX(University of Delaware,USA)、LOPES(University of Twente,Netherlands)等[7]。

1.1.2 訓(xùn)練特點

每條外骨骼機械腿由2個電機驅(qū)動，電機帶動絲杠螺母轉(zhuǎn)動，推動機械腿擺動，完成髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)4個自由度的運動[8-9]。髖、膝關(guān)節(jié)能以系統(tǒng)軟件設(shè)置的參數(shù)進行精準步態(tài)訓(xùn)練，也可根據(jù)患者本身的運動功能水平進行主、被動訓(xùn)練。

安裝在腿部的傳感器能對驅(qū)動力矩、關(guān)節(jié)角度等信息進行測量，并實時反饋到控制系統(tǒng)，以在線進行訓(xùn)練狀態(tài)評估與引導(dǎo)，設(shè)置個性化的訓(xùn)練方案。其虛擬現(xiàn)實的設(shè)計不僅能給予視覺刺激，更能增加訓(xùn)練的趣味性及參與性，達到更好的效果。

1.1.3 適應(yīng)癥

近年來，以Lokomat為代表的基于平板訓(xùn)練的康復(fù)機器人在臨床應(yīng)用上得到廣泛應(yīng)用，其適應(yīng)癥包括腦卒中、脊髓損傷、腦癱、多發(fā)性硬化癥和帕金森病等具有下肢運動功能障礙的患者。在使用過程中，機械腿的受力會被實時偵測，當受到一定阻力時，機器人為了保護患者安全，會終止步行任務(wù)，所以下肢肌張力較高以及認知功能較差的患者在訓(xùn)練中易造成機械臂停止工作，需慎用。

1.2 平地行走訓(xùn)練機器人

1.2.1 系統(tǒng)組成

Ekso(Ekso Bionics,USA)是極具代表性的一款平地行走訓(xùn)練機器人。該種機器人由外骨骼穿戴裝置和專用拐杖構(gòu)成。整合在背包里面的液壓缸和電池為機器人提供動力，專用拐杖上不僅有控制按鈕，還能維持訓(xùn)練者平衡。

其他平地行走訓(xùn)練機器人還包括Rewalk(Rewalk Robotics, Israel)、Indego(ParkerHannifin,USA)、HAL(Cybernics)等。

1.2.2 訓(xùn)練特點

平地行走訓(xùn)練機器人是針對不能行走的患者研發(fā)的一項新技術(shù)，相對于基于平板訓(xùn)練的機器人，可移動性是其最大特點?；颊叽┐魃贤夤趋溃显诒嘲锏膭恿ρb置驅(qū)動下肢完成從坐到站、從站到坐和行走等轉(zhuǎn)移動作，同時可借助手杖等輔助器具維持身體平衡和控制動作[7]?；颊吣軌蛲ㄟ^它完成有目標針對性的功能缺損訓(xùn)練，如從坐到站訓(xùn)練。同時這些可移動設(shè)備還能輔助患者日常生活活動，改善生活質(zhì)量。由于輔助行走不借用運動平板和減重系統(tǒng)，以真實路面作為訓(xùn)練場所，能為患者提供更復(fù)雜的訓(xùn)練環(huán)境和視覺反饋，利于功能恢復(fù)。

1.2.3 適應(yīng)癥

平地行走訓(xùn)練機器人最早用于輔助完全性脊髓損傷患者進行步行[10]。由于訓(xùn)練場景的真實性和可移動性等特點，近年也被用于腦卒中患者康復(fù)的研究及臨床實踐中[11]。此類機器人進行行走訓(xùn)練時，患者需要主動參與，使腿進入擺動期；由于沒有懸吊減重裝置輔助，對使用者的軀干控制能力和平衡功能提出更高要求，認知和平衡協(xié)調(diào)功能較差的患者需謹慎使用。

1.3 對步行訓(xùn)練的影響

患側(cè)肢體重復(fù)進行大量正常運動模式訓(xùn)練，可擴大支配該肢體運動的皮質(zhì)區(qū)域，增強神經(jīng)傳遞效率，有利于建立正常運動程序，提高神經(jīng)可塑性[12]。傳統(tǒng)康復(fù)通過康復(fù)評估，制定符合患者病情的運動及功能訓(xùn)練方案，有針對性的運動訓(xùn)練對神經(jīng)末梢及肌肉活性產(chǎn)生刺激，促進神經(jīng)系統(tǒng)恢復(fù)[13]。這種方法依靠康復(fù)治療師的體力，訓(xùn)練強度有限，難以實現(xiàn)大量重復(fù)的精準訓(xùn)練。

運用減重平板訓(xùn)練(body weight-supported treadmill training,BWSTT)也難達到預(yù)期的要求。雖然BWSTT能讓患者在減重狀態(tài)下進行步態(tài)周期重復(fù)訓(xùn)練，但需要治療師徒手輔助患肢進行模擬擺動，有時甚至需要另一名治療師輔助穩(wěn)定軀干。

為了解決康復(fù)過程中的這些問題，實現(xiàn)高強度、針對性、可重復(fù)且以任務(wù)為導(dǎo)向的訓(xùn)練，同時減輕治療師繁重的體力勞動，外骨骼下肢康復(fù)機器人應(yīng)運而生?？祻?fù)機器人輔助療法不僅能解放治療師勞動力，還能實現(xiàn)患者早期步行訓(xùn)練，提供高強度、重復(fù)性的精準運動控制；根據(jù)實時數(shù)據(jù)反饋，發(fā)揮患者最大主動性；通過輸入定量運動刺激、實時訓(xùn)練監(jiān)測與評估，為患者提供更為科學(xué)的訓(xùn)練計劃[14]。平地行走訓(xùn)練機器人更能讓患者在真實環(huán)境中訓(xùn)練，為患者提供更為豐富的視覺空間刺激。

2 亞急性期應(yīng)用

早期偏癱患者站立平衡、下肢力量及運動控制等較差，缺乏行走能力。下肢康復(fù)機器人不僅能輔助患者盡早站立，還能提供反復(fù)的正常步態(tài)刺激，幫助患者恢復(fù)。國內(nèi)外將此類機器人應(yīng)用于亞急性期偏癱患者的研究也逐漸增多。

2.1 基于平板訓(xùn)練的機器人

一項前瞻性隨機對照試驗證明[15]，機器人結(jié)合傳統(tǒng)步態(tài)訓(xùn)練對早期臥床偏癱患者步行功能的改善有積極意義。多個研究證明，機器人結(jié)合傳統(tǒng)康復(fù)療法能明顯促進患者步行能力恢復(fù)[16-18]。機器人輔助行走訓(xùn)練也能提高患者靜、動態(tài)平衡功能[19]。一項隨機對照研究顯示，機器人輔助訓(xùn)練后，患者峰值攝氧量存在有意義的改變，提示步行訓(xùn)練機器人有潛在提高患者心肺功能的作用[20]。

一項為期4周的機器人步行訓(xùn)練研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Berg平衡量表評分高于9分和病程短與步行能力提高高度相關(guān)[21]。另有研究顯示，沒有疼痛、視覺空間理解能力和溝通交流能力高的早期偏癱患者，更能實現(xiàn)積極的訓(xùn)練效果[22]。

2.2 平地行走訓(xùn)練機器人

一項研究對8例亞急性期偏癱患者進行機器人訓(xùn)練，治療后患者步行速度和功能性步行能力有明顯提高[23]。另外兩項研究也發(fā)現(xiàn)機器人訓(xùn)練對亞急性患者的步行速度提高有積極效果[24-25]。一項研究對比機器人輔助步行訓(xùn)練與傳統(tǒng)訓(xùn)練的療效，經(jīng)過4周訓(xùn)練，兩組在步行速度及步行耐力方面無顯著性差異，但實驗組功能性步行能力顯著改善[26]。

在腦卒中后的前6周，患者功能恢復(fù)最快[27]。兩種類型機器人在早期偏癱患者中展現(xiàn)出的積極治療效果也反映出這一點?，F(xiàn)有較多對基于平板訓(xùn)練機器人的研究，對偏癱患者早期治療效果也得到證實，但還需要進一步研究其治療參數(shù)，如減重量、步行速度等對治療效果的影響。近年有研究關(guān)注平地行走訓(xùn)練機器人的應(yīng)用，雖有少量研究證實其效果，但還缺乏大樣本隨機對照試驗支持。

3 慢性期應(yīng)用

腦卒中患者進入慢性期后，雖然神經(jīng)功能恢復(fù)減慢，但經(jīng)過適當康復(fù)治療，患者的功能活動仍能得到改善。

3.1 基于平板訓(xùn)練的機器人

一項個案研究報道，慢性偏癱患者接受為期6周的機器人訓(xùn)練后，行走耐力、速度和步行能力都有明顯改善；表面肌電圖檢查發(fā)現(xiàn)股內(nèi)側(cè)肌運動單元活動明顯提高[28]。其他研究者不僅發(fā)現(xiàn)機器人訓(xùn)練能夠改善慢性期偏癱患者步行能力，還對患者的平衡功能甚至平衡信心有積極影響[29-30]。配合機器人的主動訓(xùn)練也有助于嚴重下肢功能障礙患者步行能力恢復(fù)[31]。高速機器人訓(xùn)練比傳統(tǒng)的步行訓(xùn)練方式更能改善患者的步行能力及平衡功能[32]。將功能性電刺激與機器人訓(xùn)練相結(jié)合，患者步行功能及平衡能力較單獨使用機器人訓(xùn)練有提高的趨勢，但無統(tǒng)計學(xué)意義[33]。在機器人訓(xùn)練中加入功能性電刺激可提高患者的主動參與，沒有副作用。

3.2 平地行走訓(xùn)練機器人

平地行走訓(xùn)練機器人在改善慢性偏癱患者的步行功能、步行速度和步行耐力方面都有積極影響[34-36]。一項非隨機對照研究顯示，實驗組在8周訓(xùn)練之后，10米步行測試(ten meter walk test,10MWT)和計時起立-行走測試(timed up and go,TUG)成績比進行傳統(tǒng)訓(xùn)練的對照組有更明顯的改善[37]。但另一項單盲隨機對照研究沒有得到類似結(jié)果，經(jīng)過6周訓(xùn)練，實驗組6分鐘步行測試(six-minute walk test,6MWT)、10MWT和TUG成績與對照組無顯著性差異[38]。

雖然一些研究肯定兩類機器人都能在一定程度上改善慢性偏癱患者的步行能力，但大部分都是低質(zhì)量的個案研究，還需進一步研究證明其效果。

4 局限性及展望

外骨骼下肢康復(fù)機器人在腦卒中患者步態(tài)的糾正及步行能力恢復(fù)等方面展現(xiàn)出一定的治療效果，也成為近年腦卒中康復(fù)領(lǐng)域的一個熱點。特別是基于平板訓(xùn)練的外骨骼下肢機器人在臨床上得到大力推廣和應(yīng)用。盡管如此，其應(yīng)用也面臨一定的局限性。

此類康復(fù)機器人只有髖、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動，缺少對踝關(guān)節(jié)活動的精確控制，而踝關(guān)節(jié)的運動對于維持正常步行功能至關(guān)重要；其對盆骨和軀干也有較大限制，盆骨只能在垂直平面進行上下運動，缺少水平面旋轉(zhuǎn)，軀干也缺乏相應(yīng)的擺動，限制患者步行中的重心轉(zhuǎn)移；康復(fù)機器人的輔助訓(xùn)練易讓患者進入被動運動模式，需要治療師在旁提醒，促進其主動參與；人機互動模式較單一，虛擬場景較少，訓(xùn)練者易失去新鮮感，需要更逼真、更豐富的場景增強其訓(xùn)練積極性。

平地行走機器人能夠給予患者更真實的環(huán)境刺激，但對軀干控制能力及重心轉(zhuǎn)移能力差的早期患者，可能更合適使用基于平板訓(xùn)練的機器人。平地行走機器人尚未大范圍應(yīng)用于臨床，還需要更多研究驗證其對于腦卒中患者的治療效果。

未來應(yīng)該進一步探索康復(fù)機器人的各項參數(shù)對患者康復(fù)的意義，為不同類型患者制定有針對性的訓(xùn)練處方；也應(yīng)繼續(xù)探討康復(fù)機器人對中樞神經(jīng)恢復(fù)的作用機制，為臨床應(yīng)用提供更好的理論支撐。兩類機器人治療效果的對比研究也是未來應(yīng)該探討的問題。

相信隨著外骨骼下肢康復(fù)機器人技術(shù)的不斷完善，對其研究的不斷深入，下肢運動功能障礙的患者會得到更大的益處。

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Application of Exoskeleton-based Lower Limb Rehabilitation Robot in Stroke Rehabilitation(review)

LI Hong-wei,ZHANG Tao,FENG Yao-juan,LIN Hai-dan,BAI Ding-qun
Department of Rehabilitation,the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing 400016, China

BAI Ding-qun.E-mail：baidingqun@163.com

According to characteristics of gait-assisted training,exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot can be classified into treadmill-based exoskeleton robot and over-ground exoskeleton robot.Both kinds of exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot have been applied in stroke rehabilitation,both in subacute and chronic stages,that may do something in gait training,balance improvement and lower limb motor function recovery.

stroke;exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot;motor function;rehabilitation;review

R743.3

A

1006-9771(2017)07-0788-04

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.07.010

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，重慶市400016。作者簡介：李宏偉(1989-)，男，漢族，重慶市人，碩士研究生，主要研究方向：神經(jīng)康復(fù)及運動損傷康復(fù)等。通訊作者：白定群，男，博士，副主任醫(yī)師，副教授。E-mail：baidingqun@163.com。