平衡障礙康復機器人在老年下肢骨折患者術后康復中的應用效果研究

馮昱寧，李開南，賈子善

老齡化已成為全社會密切關注的熱點問題之一［1］。2011-09-06，國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布了《老年人跌倒干預技術指南》，明確指出跌倒是我國65歲以上老年人受傷、死亡的第一原因［2］。因此老年人跌倒后的及時診治和康復，尤其是跌倒后康復訓練的規(guī)范性、精準性、個性化至關重要［3］。然而，老年人跌倒的主要原因是不平衡（步態(tài)穩(wěn)定性降低和平衡障礙）［4］。步高、步長、連續(xù)性等步態(tài)特征與老年人跌倒的風險密切相關，老年人為了彌補這種平衡能力的下降，常采取更加謹慎、緩慢的步行方式［5］。另一方面，隨著年齡的增長，老年人的中樞控制能力下降，對比感減弱，軀干擺動變大，平衡能力、協(xié)同運動能力下降，最終導致摔倒風險增加。為了盡可能減輕老年人跌倒后對家庭、經(jīng)濟、社會等造成的負擔，提高其生活質量，老年人平衡障礙的康復訓練越來越受到重視。

針對跌倒老年人平衡障礙的康復訓練，一種方法是通過單獨訓練患者的平衡能力，使老年人在無平衡能力狀態(tài)下逐步實現(xiàn)靜態(tài)平衡，進而實現(xiàn)自動態(tài)平衡，乃至他動態(tài)平衡，此種訓練的評估參數(shù)主要為平衡能力參數(shù)，在患者達到平衡能力要求后可能還需要進一步對步態(tài)進行訓練。另外一種方法則主要體現(xiàn)在下肢肌群訓練方面，使患者在下肢康復的過程中逐步掌握平衡的能力和技巧，達到平衡與行走同步進行的效果，訓練效率較高［6］。對于前者，我國自主研發(fā)的平衡障礙康復機器人臨床成效確切，其有兩方面理論運動基礎：一方面著眼于生物力學或者生、物、化三者的復合應用；另一方面?zhèn)戎赜谶\動與學習反復交替的過程。人們在受到較大創(chuàng)傷時，如人體軟組織、血管、神經(jīng)等都受到各層面損傷，進而正常的運動與感覺受到了明顯的限制，康復機器人可以突破傳統(tǒng)的醫(yī)治觀念，使患者在其輔助下不斷學習、不斷運動，從而逐漸恢復機體的康復功能。本文將通過我國自主研發(fā)的平衡障礙康復訓練機器人的康復方式對跌倒老年人平衡障礙患者康復進行深入研究，在多維度盡可能全面地探索影響老年人跌倒后康復訓練的主要影響因素，為以后的多層面延展奠定學術基礎。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取成都大學附屬醫(yī)院骨科病區(qū)于2020年4—10月收治的100例因跌倒致下肢骨折手術的老年患者為研究對象，按計算機隨機分組法分為試驗組50例和對照組50例。在治療過程中5例患者因治療費用高、隨訪時間長抑或突發(fā)其他疾病不能完成康復訓練，視為中途脫落病例，不納入統(tǒng)計分析，其中試驗組脫落3例，對照組脫落2例。納入標準：（1）因自身無外力跌倒而下肢骨折術后的患者，如股骨頸骨折、脛腓骨骨折等，且臨床病歷資料記錄完善；（2）年齡>60歲；（3）經(jīng)X線、CT檢查證實下肢骨折；（4）首次發(fā)病；（5）意識清楚，認知功能正常。排除標準：（1）有神經(jīng)系統(tǒng)或者精神系統(tǒng)疾病的平衡障礙患者，如腦卒中、小腦疾病、脊髓損傷、抑郁癥等；（2）患有視器官、前庭器官相關疾病的平衡障礙患者，如白內(nèi)障、耳石癥等；（3）服用致眩暈等藥物的平衡障礙患者；（4）伴有冠心病或者心血管疾病的平衡障礙患者，收縮壓≥160 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa）或者≤100 mm Hg；（5）傷及下肢膝關節(jié)、踝關節(jié)疾病的患者。剔除及脫落標準：（1）試驗過程中發(fā)現(xiàn)受試對象不符合病例納入標準；（2）未按試驗進行訓練，期間接受其他干預措施者；（3）因各種原因致受試者無法完成療效評估，觀察資料不完整者。該研究獲得成都大學附屬醫(yī)院倫理委員會審批。

1.2 訓練方法

1.2.1 減重步行康復訓練 對照組采用減重步態(tài)訓練器（采用上?？禐獒t(yī)療科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的RE6116減重步態(tài)訓練器，設備由懸掛支架，跑步平臺等組成，樣機見圖1）進行減重步行康復訓練。（1）物理作業(yè)治療：包括良肢位擺放、下肢肌肉收縮訓練、健側鄰近大關節(jié)活動、轉移訓練、關節(jié)松動訓練及日常生活活動能力訓練等，并使用下肢壓力泵避免發(fā)生下肢靜脈血栓。術后第1天開始，每天在專業(yè)康復師的指導下訓練90 min，每周5 d，連續(xù)8周。（2）減重步行訓練：術后第2周開始，在同天物理作業(yè)治療完成后進行，訓練前先將軀干通過減重懸吊衣固定，再將減重懸吊衣固定于天軌兩條軌道上，拉緊提高懸吊繩以減輕體質量對下肢的壓力，囑患者雙腳站立于地面上，沿軌道方向進行步行訓練，行走過程中康復治療師給予語言和手法指導。每天30 min，每周 5 d，連續(xù) 15周［7］。

圖1 減重步態(tài)訓練器樣機圖Figure 1 Prototype of gait trainer for weight loss

1.2.2 平衡障礙康復機器人訓練 試驗組受試者首先進行物理作業(yè)治療，具體內(nèi)容同減重步行康復訓練中的物理作業(yè)治療，術后第1天開始，每天在專業(yè)康復師的指導下訓練90 min，每周5 d，連續(xù)8周。術后第2周開始，平衡障礙康復機器人（由解放軍總醫(yī)院聯(lián)合北京航空航天大學研發(fā)的康復輔助設備，由測試平臺、姿態(tài)傳感器、輔助梯、懸掛支架、平衡測試防護服組成）調(diào)整為正常生理步態(tài)的步行訓練模式，康復機器人雙下肢髖膝電機帶動患者下肢協(xié)調(diào)運動以模擬正常生理步態(tài)行走。訓練前通過減重懸吊衣固定患者軀干，根據(jù)下肢長度調(diào)節(jié)康復機器人髖膝關節(jié)之間長度，固定雙足，調(diào)節(jié)康復機器人前后左右偏移角度，見圖2。最后通過3D視覺反饋場景進行平衡和步行訓練，每天訓練30 min、每周5 d，連續(xù)15周。如果訓練時出現(xiàn)患者身體不適或康復機器人故障，則立即啟動緊急制動系統(tǒng)停止訓練［8］。

圖2 平衡障礙康復機器人模擬圖Figure 2 Simulation diagram of balance disorder rehabilitation-assisted robot

1.3 療效觀察 記錄受試者的基本信息，包括姓名、性別、病案號、年齡、骨折部位、BMI、住院時長等。試驗組和對照組患者根據(jù)上述康復訓練方法，于訓練第16周最后一次康復訓練完成后，穿戴傳感器進入同一場地，由同一位對分組不知情的康復治療師進行數(shù)據(jù)采集，并實時將數(shù)據(jù)傳入軟件系統(tǒng)中進行算法分析：采用姿態(tài)傳感器采集受試者們雙足跨步平均時間（左、右）、3 m直行平均步速（左、右）、3 m直行平均步長（左、右）?！吨袊夏耆私】抵改稀分赋隼夏耆穗p足跨步平均時間為0.38～0.55 s，3 m直行平均步速為31.17～53.59 cm/s，3 m直行平均步長為29.15～61.43 cm［9］。術后訓練第8周末、第12周末、第16周末進行Berg平衡量表評分。Berg平衡量表是平衡功能評估的金標準，包括坐位站起、無支撐站立、無靠背坐位、站立位坐下、轉移、閉目站立、雙腳并攏站立、上肢向前伸展并向前移動、自地面拾起物品、轉身向后看、轉身一周等14項內(nèi)容。每個項目的評分范圍為0～4分，若總得分低于40分，則需要重視該受試者是否有跌倒風險［10］。

2 結果

2.1 一般資料 兩組性別、年齡、BMI比較，差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）；兩組住院時長比較，差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05），見表1。

表1 兩組老年下肢骨折術后患者一般資料比較Table 1 Comparison of general data between two groups of elderly patients with fall-related lower limb fractures

2.2 兩組步態(tài)指標比較 試驗組左右足跨步平均時間均短于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05）；試驗組左右足3 m直行平均步速及3 m直行平均步長均優(yōu)于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05），見表2。

表2 兩組老年下肢骨折患者術后訓練第16周步態(tài)指標比較（±s）Table 2 Comparison of gait indices at the end of the 16th week of postoperative training between two groups of elderly patients with fall-related lower limb fractures

表2 兩組老年下肢骨折患者術后訓練第16周步態(tài)指標比較（±s）Table 2 Comparison of gait indices at the end of the 16th week of postoperative training between two groups of elderly patients with fall-related lower limb fractures

組別 例數(shù) 跨步平均時間（s） 3 m直行平均步速（cm/s） 3 m直行平均步長（cm）左足 右足 左足 右足 左足 右足對照組 48 0.34±0.118 0.38±0.157 16.73±5.865 15.53±5.163 9.89±4.142 9.94±4.926試驗組 47 0.26±0.142 0.32±0.124 21.06±4.645 19.17±5.941 11.65±3.472 13.17±3.695 t值 -2.989 -2.064 3.984 3.191 2.294 3.804 P值 0.004 0.042 <0.001 0.002 0.027 <0.001images/BZ_101_1134_2861_1155_2891.pngimages/BZ_101_1705_2861_1726_2891.png

2.3 兩組Berg平衡量表得分比較 兩組訓練與時間的交互作用具有統(tǒng)計學意義（F交互=53.116，P交互<0.001）；兩組間下肢運動功能恢復程度比較，差異有統(tǒng)計學意義（F組間=3.675，P組間=0.013）；兩組組內(nèi)不同觀察時間點的Berg評分比較，差異有統(tǒng)計學意義（F時間=1 364.425，P時間<0.001），見表3。

表3 兩組老年下肢骨折患者術后訓練不同時間點下肢運動功能Berg平衡量表評分比較（±s，分）Table 3 Comparison of Berg Balance Scale scores of lower limb motor function at the end of the 8th，12th and 16th weeks of postoperative training between two groups of elderly patients with fall-related lower limb fractures

表3 兩組老年下肢骨折患者術后訓練不同時間點下肢運動功能Berg平衡量表評分比較（±s，分）Table 3 Comparison of Berg Balance Scale scores of lower limb motor function at the end of the 8th，12th and 16th weeks of postoperative training between two groups of elderly patients with fall-related lower limb fractures

組別 例數(shù) 第8周末 第12周末 第16周末對照組 48 31.18±10.69 34.71±7.49 35.98±9.45試驗組 47 39.18±7.17 41.68±9.23 43.62±8.84 F值 F交互=53.116，F(xiàn)組間=3.675，F(xiàn)時間=1 364.425 P值 P交互<0.001，P組間=0.013，P時間<0.001

3 討論

老年人跌倒是全世界老年人殘疾和死亡的主要原因之一。隨著國內(nèi)外專家對老年人跌倒問題的關注。平衡康復機器人、人工智能、3D虛擬、機腦接口等前沿方式正逐步走入普通大眾視野，幫助老年人更好地做好跌倒后的康復，提高其生活質量。

我國自主研發(fā)的平衡障礙康復機器人填補了下肢骨折患者術后康復的科技部分。本研究結果顯示兩組步態(tài)指標方面比較，試驗組左右足跨步平均時間均短于對照組；試驗組左右足3 m直行平均步速及3 m直行平均步長均優(yōu)于對照組。一方面肯定了平衡障礙康復機器人在客觀運動數(shù)據(jù)采集及大數(shù)據(jù)算法上有著快記錄、高精算等優(yōu)勢；另一方面也顯示該運動指標具有良好的特異性，值得深入研究和探討。在兩組下肢骨折老年患者術后訓練第8、12、16周末進行下肢運動功能Berg評估，結果顯示隨著康復時間延長，下肢運動功能評分呈遞增趨勢；同一康復時間點，試驗組下肢運動功能評分更優(yōu)。兩組患者術后不同康復方式的鍛煉效果對比給臨床工作者展示了平衡障礙康復機器人的潛力，也為平衡障礙康復機器人進一步擬定康復處方及量化評判康復標準奠定了基石。

雖然本研究中兩組患者住院時長比較，差異有統(tǒng)計學意義，但因試驗開始時，嚴格按照納入標準和排除標準遴選患者，且康復鍛煉與住院時長沒有必然聯(lián)系，所以不存在基線不一的情況。另外，因受試者的職業(yè)、生活習慣等不同，所以采集跨步平均時間、3 m直行平均步速、3 m直行平均步長時加采左右雙側的運動指標，從而減少信息偏移。運動指標術前因受試者骨折未能采集，訓練后8周、12周受試者仍處于下肢運動功能恢復期，部分受試者不能較好完成數(shù)據(jù)采集的訓練試驗，出現(xiàn)兩組變化值較小及結果誤差較大的情況，故取訓練16周末的康復訓練數(shù)據(jù)，在結果準確性及誤差校正性得到最大可能的保證。

本研究的不足之處和局限性：（1）本研究為回顧性研究，研究結果可能不夠全面；（2）本研究樣本量不大，容易產(chǎn)生信息偏倚；（3）受客觀因素的限制，本研究只納入了常見下肢骨折疾病，未能全面涵蓋更為復雜、更為少見的下肢骨折疾病。未來有待多中心大樣本研究進一步精準評估平衡障礙康復機器人對老年人跌倒引起下肢骨折術后運動功能康復的效果。

目前國外市面上平衡障礙康復機器人能一定程度上改善老年人跌倒后下肢康復過程中的活動能力，但仍需要進一步優(yōu)化。隨著對因跌倒導致平衡障礙的老年患者的不斷研究，平衡障礙康復機器人將會被更廣泛更深入地應用。如促進下肢神經(jīng)恢復的途徑：目前主流的觀點是重塑理論及施萬細胞或嗅鞘細胞支持生長理論，中和髓鞘抑制劑的抗體（如Nogo-A）也是一種很有前途的臨床前治療［11］。椎管內(nèi)微刺激：將直徑小于50 mm的微細穿透性微波電極手術插入腰骶膨大的腹角，通過突觸外激活運動神經(jīng)元，從而使運動單位接近正常秩序，并降低肌肉疲勞度，從而更好地協(xié)調(diào)髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)之間的協(xié)同作用［12-13］。腦-機接口：為了提高前面提到的干預措施的可用性，應用程序的智能控制將是必要的。腦機接口包括對神經(jīng)或認知過程做出反應的設備或系統(tǒng)，文獻［14］應用腦-機接口與信息安全管理體系（ISMS）取代大腦與脊髓或末端執(zhí)行肌失去的連接，并允許意志控制行走，但需要進一步的循證臨床研究來確定該結論。特別值得注意的是，2016年DONATI等［15］致力于一項基于腦-機接口多階段步態(tài)神經(jīng)康復的研究，并取得了積極的研究結果。

綜上，平衡障礙康復機器人對老年人跌倒后下肢骨折術后的運動功能康復效果相對于減重步行康復訓練效果更好，但隨著康復時間延長，下肢功能恢復能力提升較為緩慢。

作者貢獻：馮昱寧負責文章的構思與設計、研究的實施與可行性分析、數(shù)據(jù)收集與整理、統(tǒng)計學處理、結果的分析與解釋、論文撰寫；李開南負責論文的修訂、文章的質量控制及審校，并對文章整體負責，監(jiān)督管理；賈子善負責疑難病例及北京樣本中心試驗開展。

本文無利益沖突。