兒童康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

華裕，朱敏，張躍

南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院，江蘇南京市210008

康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支，已經(jīng)成為康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。近10年來康復(fù)機(jī)器人取得很大發(fā)展，在成人康復(fù)治療中的應(yīng)用越來越廣泛，但兒童康復(fù)機(jī)器人仍處于起步階段。本文主要針對(duì)康復(fù)機(jī)器人在兒科疾病中的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 康復(fù)機(jī)器人的概念

康復(fù)機(jī)器人是指能自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的人造機(jī)器裝置，用以取代或協(xié)助人體的某些功能，從而在康復(fù)醫(yī)療過程中發(fā)揮作用?？祻?fù)機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展目標(biāo)包括：研發(fā)方便醫(yī)療人員和患者使用的康復(fù)器械及以此為依托的技術(shù)；促進(jìn)臨床康復(fù)治療效果；為患者的日?；顒?dòng)提供方便。作為生物醫(yī)學(xué)工程的分支領(lǐng)域，康復(fù)機(jī)器人融合了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多學(xué)科，其研發(fā)目標(biāo)側(cè)重于臨床實(shí)用性[1]。

2 發(fā)展背景

20世紀(jì)60年代初期出現(xiàn)第一臺(tái)康復(fù)機(jī)器人CASE[2]，自70年代中期，對(duì)康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究逐漸發(fā)展起來[3]，在過去的幾十年里我們看到大量相關(guān)臨床成果。機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)作為一種物理療法，通過機(jī)器人幫助患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如腦卒中、腦癱等)的患者改善受損的肢體功能。已有康復(fù)設(shè)備的臨床評(píng)估提供強(qiáng)有力的證據(jù)證明，在不增加經(jīng)濟(jì)成本[4]的前提下，相對(duì)于治療師，通過機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練能獲得相當(dāng)甚至更好的功能改善[5]，這就是美國心臟協(xié)會(huì)建議采用機(jī)器人療法作為腦卒中后標(biāo)準(zhǔn)治療的原因。但大多相關(guān)研究仍局限在成年人方向，目前可用的兒童康復(fù)機(jī)器人設(shè)備稀缺，而且這些設(shè)備的臨床研究也非常有限[6]，可以說在兒童方向我們才剛剛起步。但考慮到兒童的大腦比成人的大腦更具有可塑性，我們可以合理地預(yù)計(jì)，康復(fù)機(jī)器人在成人取得的效果，將在兒童身上得到更有效的體現(xiàn)。

“運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)(motor learning)”是感覺運(yùn)動(dòng)康復(fù)的重要理論基礎(chǔ)[7]，康復(fù)治療方法的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的原則，即集體訓(xùn)練、認(rèn)知參與及功能相關(guān)性[8]。然而，集體訓(xùn)練很難在兒童中實(shí)現(xiàn)；同樣，認(rèn)知參與需要一定的認(rèn)知水平、注意力和配合程度，這對(duì)智力障礙或低年齡兒童而言更加困難；至于功能性相關(guān)性，我們也不能保證兒童愿意使用患肢去完成相應(yīng)的訓(xùn)練。這些都是兒童康復(fù)需要解決的難題。雖然一些新穎的、有一定強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)療法，如限制性誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)療法(constraint-induced movement therapy,CIMT)，在輕度偏癱的兒童中已取得不錯(cuò)的效果[9-10]，但仍需要為重度肢體障礙的兒童設(shè)計(jì)出更有效的治療方法，因此開發(fā)兒童康復(fù)機(jī)器人設(shè)備是必然的趨勢。

3 分類

兒童康復(fù)機(jī)器人可以從不同角度進(jìn)行分類，按照目的可粗略地分為輔助/替代型和訓(xùn)練/治療型等。按照針對(duì)軀體部位的不同可分為上肢康復(fù)機(jī)器人和下肢康復(fù)機(jī)器人。按照人機(jī)結(jié)合的作用機(jī)制，可分為外骨骼式和牽引式。按照其移動(dòng)方式，可分為固定式和移動(dòng)式。目前國內(nèi)使用較多的主要按照軀體的部位分類，包括上肢康復(fù)機(jī)器人和下肢康復(fù)機(jī)器人。

3.1 上肢康復(fù)機(jī)器人

上肢康復(fù)機(jī)器人按作用機(jī)制可分為牽引式和外骨骼式兩種。牽引式主要提供平面運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，此類機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，易于規(guī)劃軌跡和控制。外骨骼式將康復(fù)訓(xùn)練范圍從平面拓展到立體空間，可靈活完成三維空間內(nèi)多個(gè)方向的上肢運(yùn)動(dòng)，對(duì)肩、肘、腕關(guān)節(jié)進(jìn)行全方位運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。應(yīng)用上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，可讓患兒實(shí)時(shí)看到自己上肢的位置，幫助患兒恢復(fù)本體感覺；還可針對(duì)患兒不同的能力進(jìn)行評(píng)估，如主動(dòng)參與程度、動(dòng)作平滑程度、主/被動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度、目標(biāo)追蹤準(zhǔn)確性等，幫助患兒掌握簡單的生活技能，比如飲水、進(jìn)食等[11-14]。婁欣霞等[15]的研究表明，上肢康復(fù)機(jī)器人輔助治療能大大提高腦癱患兒的生活質(zhì)量和肢體活動(dòng)能力，促使患兒養(yǎng)成生活自理的好習(xí)慣，并且對(duì)智力低下患兒的智力有明顯改善。

3.2 下肢康復(fù)機(jī)器人

下肢康復(fù)機(jī)器人按患兒訓(xùn)練時(shí)的不同姿態(tài)可分為站立式和坐臥式兩種，能夠輔助支撐患兒的身體，幫助患兒形成自然的步態(tài)，同時(shí)還能進(jìn)行其他功能鍛煉，主要對(duì)患兒的下肢肌力、步態(tài)和走路能力進(jìn)行訓(xùn)練。有些與減重懸吊系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平板等相結(jié)合，以達(dá)成更多的目的，如進(jìn)行直線、轉(zhuǎn)彎、邁上臺(tái)階等多種形式的步行訓(xùn)練[16-19]。有證據(jù)顯示，對(duì)于痙攣型腦癱患兒，利用下肢機(jī)器人輔助減重步行訓(xùn)練，能更早、更好、更充分地訓(xùn)練患兒的軀干控制、單側(cè)支撐身體重量及髖膝關(guān)節(jié)伸展等步行相關(guān)能力，最終改善腦癱患兒的下肢運(yùn)動(dòng)功能[20]；同時(shí)下肢機(jī)器人在提高患兒的平衡功能，改善患兒的粗大運(yùn)動(dòng)等方面也取得良好的效果[21]。

4 應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 腦癱

腦癱是胎兒及嬰幼兒期發(fā)育中腦的非進(jìn)行性損傷及缺陷所造成的運(yùn)動(dòng)障礙及姿勢異常[22]，可伴有不同程度的智力低下、癲癇、心理行為異常、感知覺障礙及繼發(fā)性肌肉骨骼問題，是導(dǎo)致兒童殘疾的主要疾病，患病率為2‰～3‰。腦癱兒童存在多種功能障礙，以步行障礙為主，因此改善患兒下肢功能，輔助其獨(dú)立行走，對(duì)改善患兒生活質(zhì)量尤為重要。下肢康復(fù)機(jī)器人主要通過電腦控制的機(jī)械臂固定住患兒的腿部，讓其在跑臺(tái)上訓(xùn)練。該系統(tǒng)包括提供部分支持體重的智能減重系統(tǒng)及機(jī)械性成分來控制髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)雙側(cè)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。治療師可控制體重支持的程度、機(jī)械臂支持的力度和跑臺(tái)的速度。

腦癱患兒并發(fā)精細(xì)動(dòng)作功能障礙及認(rèn)知落后，患兒穿戴好上肢便攜式康復(fù)機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃的訓(xùn)練任務(wù)提供完全的運(yùn)動(dòng)輔助，對(duì)相應(yīng)的癱瘓關(guān)節(jié)施加作用力，從而實(shí)現(xiàn)患肢的整體運(yùn)動(dòng)，可以改善腦癱兒童上肢功能(精細(xì)動(dòng)作)、手眼協(xié)調(diào)及認(rèn)知水平。智能機(jī)器人甚至能夠代替部分殘疾功能，對(duì)于一些預(yù)后極差的腦癱患兒而言，個(gè)人用外骨骼機(jī)器人能幫助他們站立、行走，作為一個(gè)“器官”融入患兒的日常生活，來提高他們的生活質(zhì)量。這是腦癱康復(fù)治療技術(shù)的發(fā)展方向之一。

4.2 孤獨(dú)癥

除了腦癱以外，機(jī)器人也能用于孤獨(dú)癥康復(fù)治療。孤獨(dú)癥也稱自閉癥，是一種較為嚴(yán)重的廣泛性發(fā)育障礙性疾病，主要表現(xiàn)為社交障礙、語言溝通障礙和重復(fù)性刻板行為。近年來，全球兒童孤獨(dú)癥發(fā)病率呈大幅上升趨勢，我國孤獨(dú)癥的發(fā)病率也迅速上升[23]。該病尚缺乏特效藥物，主要以康復(fù)、心理干預(yù)和特殊教育干預(yù)為主[24]。長期以來，對(duì)孤獨(dú)癥患兒進(jìn)行交流干預(yù)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)[25]。由于孤獨(dú)癥兒童對(duì)機(jī)器人的興趣比非機(jī)器人玩具或人類伴侶的興趣要大得多，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到孤獨(dú)癥康復(fù)中或許更有利于孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往技能的建立和泛化[26]。陳東帆等[27]研究證實(shí)，機(jī)器人能提高孤獨(dú)癥兒童社會(huì)交往能力、專注力與行為能力。此類機(jī)器人外形多為人形，這對(duì)于改善孤獨(dú)癥患兒的社會(huì)互動(dòng)具有潛在的優(yōu)勢[28]。當(dāng)然，相較于外形，更重要的是擁有強(qiáng)大自主功能的機(jī)器人系統(tǒng)[29]。得益于近幾年人工智能(artificial intelligence,AI)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)器人將擁有更杰出的互動(dòng)性能，為改善孤獨(dú)癥患兒的預(yù)后帶來希望。

5 發(fā)展趨勢

5.1 更多的訓(xùn)練模式

就國內(nèi)目前的情況來看，二胎政策的開放大大增加了腦癱高危兒的數(shù)量，這對(duì)整個(gè)兒童康復(fù)行業(yè)都產(chǎn)生了不小的壓力，尤其是與治療師數(shù)量的短缺之間有著難以調(diào)和的矛盾。康復(fù)機(jī)器人目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)替代或輔助康復(fù)治療師，簡化傳統(tǒng)一對(duì)一的繁重過程?，F(xiàn)在我們所實(shí)施的機(jī)器人治療項(xiàng)目多作為常規(guī)治療的輔助手段，而不是替代療法，在許多情況下增加了額外的治療時(shí)間，并不能減輕治療師的工作強(qiáng)度。另一方面，這些設(shè)備對(duì)低年齡段兒童并不適用。為此，需要康復(fù)機(jī)器人擁有更多的訓(xùn)練模式，以滿足不同年齡段兒童的需求，并幫助緩解治療師數(shù)量短缺所帶來的壓力。有研究表明，兒童能通過爬行獲得運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)感知覺的發(fā)展，從而影響認(rèn)知能力的發(fā)展[30]。傳統(tǒng)的爬行訓(xùn)練不僅耗費(fèi)人力，且訓(xùn)練強(qiáng)度不夠。但目前尚未發(fā)現(xiàn)爬行相關(guān)康復(fù)機(jī)器人的文獻(xiàn)報(bào)道。鑒于機(jī)器人擅長執(zhí)行重復(fù)性繁重勞動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)精確化、自動(dòng)化、智能化的康復(fù)訓(xùn)練[31]，開發(fā)擁有更多訓(xùn)練模式的康復(fù)機(jī)器人是個(gè)不錯(cuò)的研究方向。

5.2 新技術(shù)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)等的進(jìn)步，康復(fù)機(jī)器人也有了更大的發(fā)展空間。根據(jù)腦神經(jīng)可塑性理論，腦功能重組的恢復(fù)訓(xùn)練應(yīng)該強(qiáng)調(diào)患者的主觀參與，當(dāng)康復(fù)機(jī)器人幫助患者進(jìn)行準(zhǔn)確重復(fù)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，如果患者能主動(dòng)積極地參與到這個(gè)過程中，將能夠獲得更好的恢復(fù)效果。但鑒于兒童心智的不成熟，這一點(diǎn)對(duì)大多數(shù)兒童來講很難實(shí)現(xiàn)。我們關(guān)注到虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)可能幫助我們解決這一難題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能給用戶提供虛擬場景和虛擬對(duì)象，并允許用戶與虛擬對(duì)象間進(jìn)行交互操作的技術(shù)。它是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和傳感控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，其主要特征是為操作用戶提供的操作環(huán)境，是實(shí)時(shí)逼真的視覺、觸覺等反饋信息[32]。其具有安全性高、趣味性強(qiáng)、及時(shí)評(píng)估反饋等特點(diǎn)，在腦卒中運(yùn)動(dòng)功能障礙的康復(fù)中得到應(yīng)用[33]。國外研究表明，對(duì)于步態(tài)、協(xié)調(diào)和平衡能力嚴(yán)重受損的多發(fā)性硬化癥患者，使用配備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練能獲得更好的效果[34]。限于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身并不成熟，是否能將之應(yīng)用于兒童仍需進(jìn)一步探索。但這不失為發(fā)展兒童康復(fù)機(jī)器人的一個(gè)好方向，對(duì)于發(fā)育落后的兒童，通過虛擬現(xiàn)實(shí)提高他們的主動(dòng)性，增強(qiáng)視、聽覺等的刺激，更好的腦功能恢復(fù)效果是可期待的。

6 面臨的挑戰(zhàn)

6.1 降低機(jī)器人成本

目前康復(fù)機(jī)器人價(jià)格較高，以上肢康復(fù)機(jī)器人為例，一臺(tái)國產(chǎn)設(shè)備價(jià)格在70萬元左右，使用年限6～10年，1次訓(xùn)練(約20 min)的收費(fèi)至少140元左右。相比正常兒童，需要康復(fù)治療的兒童有更多的醫(yī)療、康復(fù)、教育、看護(hù)等需求，對(duì)家庭生活造成很大影響，也給家庭帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[35]。如若不能降低成本，導(dǎo)致治療費(fèi)用大幅度提升，那么剛起步的兒童康復(fù)機(jī)器人將很難普及起來。盡管有些人主張簡化機(jī)器人設(shè)計(jì)，以制造更便宜的機(jī)器人，但這充其量只是一種暫時(shí)的解決方案，不太可能成為長期戰(zhàn)略。毫無疑問，一些簡單的設(shè)備可以作為輔助治療手段，但這并不符合我們的目的。一個(gè)成功的機(jī)器人設(shè)備必將是高度復(fù)雜的系統(tǒng)，它能智能地響應(yīng)用戶的需求，并提供適應(yīng)性治療，這在一個(gè)簡單的設(shè)備中無法實(shí)現(xiàn)。

6.2 更加卓越的功效

開發(fā)新設(shè)備的最終目的當(dāng)然是為了進(jìn)行更好的康復(fù)訓(xùn)練，改善預(yù)后，提高生活質(zhì)量。理論上，康復(fù)機(jī)器人無疑能帶來不錯(cuò)的治療效果，前文也提到一些臨床研究證實(shí)了這一點(diǎn)，但似乎離我們的預(yù)期仍有著不小的差距。問題可能并不在機(jī)器人設(shè)備的功效，而在于人類大腦自我修復(fù)能力本身有限，無論設(shè)備的硬件或是訓(xùn)練模式的復(fù)雜程度如何。舉個(gè)極端的例子，對(duì)于嚴(yán)重腦畸形的患兒，即使再先進(jìn)的康復(fù)技術(shù)恐怕也難以對(duì)其運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生積極的影響。但我們?nèi)哉J(rèn)為，增強(qiáng)康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展，提高設(shè)備的功效是必須的，因?yàn)殡S著對(duì)干細(xì)胞移植及相關(guān)療法的深入研究，神經(jīng)系統(tǒng)恢復(fù)的生物學(xué)約束終將逐漸減少，甚至在將來可能會(huì)被移除[36]。

6.3 安全性

要將設(shè)備大量投入臨床使用，那么無論對(duì)象是成人或是兒童，安全性的問題都不可回避。我們不僅需要考慮運(yùn)動(dòng)處方的安全性，還要考慮機(jī)器人自身的安全性。大多數(shù)康復(fù)機(jī)器人都有強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)，一旦失控，后果不堪設(shè)想，在兒童康復(fù)機(jī)器人設(shè)備上，這一點(diǎn)尤其不容忽視。然而在現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人臨床研究中，涉及安全性評(píng)價(jià)的幾乎沒有[37]。因此對(duì)于臨床工作者來說，如何審查其安全性無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

7 結(jié)論

康復(fù)機(jī)器人正處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展階段，在技術(shù)上取得了令人矚目的進(jìn)步，但在兒童康復(fù)領(lǐng)域的臨床使用仍非常有限。我們?nèi)孕栳槍?duì)兒童持續(xù)改進(jìn)技術(shù)，收集更多關(guān)于療效的數(shù)據(jù)，開發(fā)出真正節(jié)省勞力的設(shè)備，促使兒童康復(fù)機(jī)器人完全進(jìn)入臨床領(lǐng)域。我們理想中的康復(fù)治療模式是由醫(yī)療人員根據(jù)不同的病情制定出個(gè)性化的方案，由機(jī)器人去執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)，醫(yī)療人員對(duì)訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估，實(shí)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。最終，機(jī)器人設(shè)備能夠提升康復(fù)效果并降低人員成本，這才是導(dǎo)致它們被廣泛采用的驅(qū)動(dòng)因素。

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