下肢外骨骼康復(fù)機器人在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用研究*

王 靜, 陸蓉蓉, 白玉龍

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院 康復(fù)醫(yī)學(xué)科 上海 200040

1 下肢外骨骼機器人原理

腦卒中是導(dǎo)致殘疾的主要原因之一。隨著醫(yī)療護理及醫(yī)療技術(shù)的提高,腦卒中后患者的存活率越來越高[1],而這同時提高了腦卒中的致殘率[1-2]。其中,肢體運動功能障礙增加了腦卒中后患者及家庭的沉重負擔(dān),嚴重影響患者的日常生活。因此,如何有效提高腦卒中后患者步行能力及日常生活活動能力,成為腦卒中康復(fù)研究的主要目標(biāo)[3-4]。

基于神經(jīng)康復(fù)理論,腦卒中后患者可以通過專業(yè)康復(fù)訓(xùn)練來恢復(fù)肢體功能[5]。下肢康復(fù)機器人將機器人技術(shù)應(yīng)用于下肢運動功能障礙者[6]。近年來,隨著康復(fù)機器人技術(shù)的迅速發(fā)展,各種各樣的機器人已被廣泛應(yīng)用于臨床康復(fù)治療中[7-8]。目前,應(yīng)用于下肢運動訓(xùn)練的康復(fù)機器人設(shè)備類型可以分為外骨骼型和末梢-效應(yīng)器型。筆者就下肢外骨骼康復(fù)機器人做簡要介紹。

外骨骼機器人是一種可穿戴于人體上的機器人設(shè)備,將人工智能系統(tǒng)和機械裝置結(jié)合為一體[9]。下肢外骨骼康復(fù)機器人是一種康復(fù)設(shè)備結(jié)合計算機技術(shù)的新型設(shè)備,可提供支撐體重、防摔倒功能,用于幫助下肢運動功能障礙患者提高步行能力。這一設(shè)備的軸線與穿戴者的解剖軸線一致,直接控制患者的各關(guān)節(jié),進而可最大限度避免異常姿勢或運動情況[10]。采用減重方式,患者步態(tài)受外骨骼移動控制,步態(tài)模式較接近于正常人,這樣在偏癱早期即給患者輸入正常的步行模式,使患者在不具備步行能力的情況下進行步行訓(xùn)練,進而使患者盡早具有行走的體驗,以便能有效利用病情穩(wěn)定后最有恢復(fù)潛能的一段時期。患者隨著外骨骼的擺動進行步態(tài)訓(xùn)練,可以促進正常步態(tài)恢復(fù),保持步行的協(xié)調(diào)性及穩(wěn)定性。

2 下肢外骨骼康復(fù)機器人發(fā)展歷史

最初,外骨骼機器人被用于步態(tài)障礙的康復(fù),以促進上肢運動功能的恢復(fù)[11]。Rahman等人于2006年研發(fā)的第一代下肢外骨骼機器人是被動型的,無論患者做什么,該設(shè)備均可使患者身體移動到一個預(yù)定的軌跡上[12-13]。2010年,Kao等研究人員觀察到,當(dāng)穿戴被動型步態(tài)輔助外骨骼設(shè)備行走時,患者的髖部、骨盆和腿部運動模式保持不變,從而減少了所需的肌力消耗[13]。這一發(fā)現(xiàn)促使Quintero等人于2012年研究出第一個主動型外骨骼機器人,該機器人可按照患者意愿向同一方向移動[14]。與人體骨骼不同,外骨骼從外部支撐體重,使患者能夠直立、自主活動,加強和改善下肢自主運動的協(xié)調(diào)性。這種技術(shù)相比其它神經(jīng)元技術(shù),如機器人輔助步態(tài)訓(xùn)練,具有更大的生態(tài)學(xué)效度,穿戴外骨骼設(shè)備的患者可以更長時間自主行走和移動[15]。

3 下肢外骨骼康復(fù)機器人典型產(chǎn)品

3.1 Lokomat

Lokomat于1999年由瑞士Hocoma醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作研制[16],是目前臨床上最具代表性的下肢外骨骼康復(fù)機器人,也是第一套能輔助下肢運動功能障礙患者進行減重步行訓(xùn)練的機器人。Lokomat基本結(jié)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)表面的動力步態(tài)矯形器、體重支撐系統(tǒng)、運動跑臺。外骨骼可驅(qū)動患者腿部在矢狀面上實現(xiàn)步態(tài)運動,四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可驅(qū)動髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)做屈伸動作。Lokomat被廣泛應(yīng)用于多種運動功能障礙的康復(fù)中,幫助患者改善運動功能,包括步態(tài)、平衡及肌力等,尤其是在急性和亞急性期。此外,Lokomat還具有人工智能裝置,可實現(xiàn)人機協(xié)調(diào)性康復(fù)訓(xùn)練。

3.2 Lokohelp

Lokohelp是2008年由德國公司開發(fā)和生產(chǎn)的一種步態(tài)訓(xùn)練機器人,屬于由跑臺驅(qū)動而非外部設(shè)備驅(qū)動的下肢矯形器系統(tǒng),由跑臺裝置、減重支撐裝置、步態(tài)分析評估裝置、安全報警及生命體征監(jiān)測裝置四部分組成[17]。在Lokohelp的輔助訓(xùn)練下,患者可主動步行,主動伸膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié),不僅可用于基本的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練,而且可以幫助患者完成下坡運動,對步態(tài)功能訓(xùn)練有明顯的改善作用。此外,具有易組裝、拆卸、調(diào)整特性的Lokohelp,可以在不同坡度上進行康復(fù)功能訓(xùn)練,主要用于臨床上非早期階段的步態(tài)功能訓(xùn)練,可顯著降低參與者的人力及體力消耗。

3.3 HAL

HAL是2009年由日本筑波大學(xué)和賽博達因機器人技術(shù)公司聯(lián)合研發(fā)的可穿戴式下肢康復(fù)機器人[18],是世界上第一個生物體型機器人。HAL充分利用使人力、機械、信息技術(shù)相融合的生物體機器人控制論[19],屬于由自發(fā)控制系統(tǒng)和自主控制系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)。自發(fā)控制系統(tǒng)可通過生物電信號完全控制HAL,自主控制系統(tǒng)自動產(chǎn)生可反映人體活動特點的運動模式[18]。HAL的腿部結(jié)構(gòu)通過直接放置在關(guān)節(jié)上的諧波驅(qū)動器直流電機為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈曲、伸展提供動力。踝關(guān)節(jié)屈曲、伸展自由度是被動的。下肢組件通過帶有地面反作用力傳感器的特殊鞋,以及小腿和大腿上的線束、寬腰帶與穿戴者接觸。HAL可以提高步行速度和步幅長度,因此可用于患者的步態(tài)訓(xùn)練。嚴重偏癱患者使用HAL,不僅有助于改善行走能力,而且有助于在移除HAL后走路時采用新的步態(tài)模式[19]。

3.4 H2

H2是西班牙Technaid等人研究的一種新型下肢外骨骼康復(fù)機器人[20]。這一機器人屬于輕量級電池供電設(shè)備,專為臨床環(huán)境中的地面步態(tài)訓(xùn)練而設(shè)計。H2設(shè)置了具有六個自由度的雙邊佩戴裝置,其中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)是驅(qū)動關(guān)節(jié)。一般非固定型外骨骼康復(fù)機器人無踝關(guān)節(jié)驅(qū)動,對于腦卒中后患者的步態(tài)功能康復(fù)而言,足下垂在大多數(shù)患者中很常見,因此踝關(guān)節(jié)驅(qū)動對解決足下垂問題至關(guān)重要,這也是H2特有的優(yōu)勢。此外,H2具有舒適、輕便、結(jié)構(gòu)堅固的特點。外骨骼框架包括大腿、小腿、鉸鏈髖關(guān)節(jié)、膝蓋、腳踝,以及鉸接腳板和腰部的雙向支撐。

3.5 LOPES

LOPES是2007年由荷蘭特溫特大學(xué)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所Veneman等人設(shè)計的一種步態(tài)功能康復(fù)下肢外骨骼機器人[21],結(jié)合了一個可自由伸縮的二維感應(yīng)式骨盆段與包含三個可驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的下肢外骨骼,其中兩個在髖部,一個在膝部。關(guān)節(jié)受阻抗控制,使機器人和訓(xùn)練對象之間產(chǎn)生雙向機械作用。評估測試結(jié)果表明,LOPES有患者主導(dǎo)和機器人驅(qū)動模式,這兩種模式下機器人可分別被控制跟隨及引導(dǎo)患者步行。

3.6 ReWalk

2012年,以色列ReWalk Robitics公司開發(fā)了ReWalk[22]。ReWalk包括電動外骨骼裝置、計算機控制器、可接觸地面的傳感器及電池單元,電池和主機都有一個內(nèi)置的備份系統(tǒng)[23]。外骨骼具有大腿、小腿及鉸接膝關(guān)節(jié)的雙側(cè)外部支撐,分別鉸接至腳板和向近側(cè)的骶骨帶。ReWalk使用閉環(huán)算法軟件控制。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動受電機控制,腳踝則使用彈簧輔助背屈的機械關(guān)節(jié)鉸接。由于運動的激活是在患者自我控制和啟動之下進行的,因此ReWalk比普通的機器人驅(qū)動控制更安全。軟件設(shè)計方面,ReWalk可以防止患者在發(fā)生摔倒時臀和膝關(guān)節(jié)的快速屈曲,并可控制由站到坐的速度。站立和行走期間,患者的穩(wěn)定性和安全性通過并行使用的拐杖、步行器、爬樓梯欄桿等步行助推器來實現(xiàn)。

3.7 Ekso

Ekso Bionics機器人公司研發(fā)和制造的Ekso外骨骼康復(fù)機器人[24],具有使用電池供電的外骨骼,能幫助下肢癱瘓的患者進行步行活動。Ekso由電機和傳感器組合而成,通過幫助患者身體平衡和定位,使患者能夠以高效互惠的步態(tài)模式在地面上行走。軀干和腿帶的設(shè)計用于患者獨立或在略微幫助的情況下較容易地進出Ekso。

3.8 WA-H

WA-H是2014年由韓國首爾HEXAR公司專為腦卒中后偏癱患者研發(fā)的一種價格便宜的便攜式可穿戴式步態(tài)輔助機器人[25]。使用WA-H進行步態(tài)訓(xùn)練,可以改善神經(jīng)功能障礙患者的平衡性和運動協(xié)調(diào)性。WA-H在步態(tài)訓(xùn)練期間主要在矢狀面上運動,因此使用電機輔助膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在矢狀面上運動。此外,在冠狀面上,通過被動髖關(guān)節(jié)可用于追蹤患者的關(guān)節(jié)運動情況,以便在步行期間實現(xiàn)質(zhì)心偏移,并可用于調(diào)整和配合關(guān)節(jié)的位置。踝關(guān)節(jié)借助彈簧附件以輔助踝關(guān)節(jié)背屈和防止足下垂。WA-H相比原有的Lokomat等機器人,質(zhì)量更輕,并可隨時進行安裝和使用,且不需要額外的設(shè)備,實用性更強。

3.9 SMA

SMA是由日本本田研發(fā)公司開發(fā)的新型可穿戴式外骨骼機器人[26]。SMA可提高步行能力,增強老年人和步行功能障礙患者的社區(qū)活動能力、社會交往能力。SMA穿戴于髖關(guān)節(jié)周圍,在每個髖關(guān)節(jié)處提供獨立、主動的屈曲和伸展動力,以輔助患者步行。Carolyn等人研究表明,應(yīng)用SMA和功能導(dǎo)向性特殊訓(xùn)練干預(yù)措施,可明顯改善時空步態(tài)參數(shù)?？梢?SMA是一種較好的輔助治療工具,有助于改善腦卒中后患者的運動功能。

4 臨床應(yīng)用研究

目前臨床上研究的最具代表性的下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機器人是Lokomat和HAL。因國內(nèi)外對其它機器人的臨床應(yīng)用研究報道較少,故以下著重分析上述兩種代表性下肢外骨骼康復(fù)機器人在臨床應(yīng)用中的研究。

4.1 Lokomat

國內(nèi)外對于Lokomat的臨床應(yīng)用研究已有很多[27-32]。Chang等人[10]研究了機器人輔助治療在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用,選擇十項隨機對照試驗,分析Lokomat下肢康復(fù)機器人輔助治療對亞急性期、慢性期腦卒中后患者步行功能的影響[33-42]。2007年的兩項試驗結(jié)果表明,Lokomat輔助治療對提高腦卒中后患者步態(tài)功能的效果優(yōu)于傳統(tǒng)物理治療[33,43]。這兩項試驗招募病人數(shù)量相對較少,第一項是有關(guān)亞急性期腦卒中后患者的試驗性研究[43]。隨后,2008年Hornby等人[34]的研究結(jié)果表明,傳統(tǒng)康復(fù)治療對改善慢性期腦卒中后患者步行功能的效果優(yōu)于Lokomat輔助治療。Hidler等人[35]在一項多中心、隨機試驗中也對機器人輔助治療在提高亞急性期腦卒中后患者步態(tài)功能方面的效果進行了研究,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)多樣性步態(tài)訓(xùn)練相比,機器人輔助訓(xùn)練對提高患者步行能力的效果較差。因此,上述研究均認為在同等訓(xùn)練強度下,傳統(tǒng)治療相比Lokomat等外骨骼康復(fù)機器人輔助治療,能更有效提高腦卒中后患者的步態(tài)功能。其它研究結(jié)果顯示,傳統(tǒng)物理治療結(jié)合機器人輔助訓(xùn)練改善腦卒中后運動功能障礙者的步態(tài)功能,優(yōu)于單獨的傳統(tǒng)治療,尤其是對亞急性期腦卒中后患者而言[36-39]。2009年,Schwartz等人[40]實施了一項大樣本臨床試驗,研究結(jié)果表明,機器人設(shè)備結(jié)合常規(guī)物理治療與單純的常規(guī)治療相比,在亞急性期腦卒中后患者的步態(tài)功能康復(fù)治療中具有更好的療效。因此,Lokomat等外骨骼康復(fù)機器人或許不能替代傳統(tǒng)物理治療以提高腦卒中后患者的步態(tài)功能,但是可與傳統(tǒng)物理治療結(jié)合起來幫助腦卒中后患者康復(fù),尤其是對于亞急性期腦卒中后患者而言。然而,對于慢性期腦卒中后運動功能障礙者,機器人改善步態(tài)功能的療效研究還不是很充分。

4.2 HAL

Louie等研究人員[44]在研究動力型外骨骼機器人對亞急性期及慢性期腦卒中后患者的步態(tài)功能康復(fù)中,選擇了八項試驗來研究動力型下肢外骨骼康復(fù)機器人輔助治療對亞急性期、慢性期腦卒中后患者步行功能的影響。

在四項亞急性期腦卒中研究中,只有一項是隨機對照試驗[19],表明使用HAL的患者與常規(guī)傳統(tǒng)治療步態(tài)康復(fù)相比,在功能性步行分級評分方面有顯著改善。然而,研究發(fā)現(xiàn)HAL干預(yù)和常規(guī)治療對于步速或耐力之間的差異并不顯著。一項小型前后對照的亞急性期腦卒中研究也發(fā)現(xiàn),亞急性期患者在外骨骼機器人輔助步態(tài)訓(xùn)練后的功能性分級評分有顯著提高[45]。在亞急性期腦卒中的其它兩項前后對照研究中[46-47],患者僅經(jīng)過一段時期康復(fù)訓(xùn)練,步行速度即可得到改善。

在其它四項慢性期腦卒中研究中,由50名志愿者參與的隨機對照試驗結(jié)果表明[48],訓(xùn)練時間相一致的穿戴外骨骼機器人訓(xùn)練組參與者在提高步速方面無顯著性差異。相比之下,非隨機對照試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)[49],與常規(guī)物理治療相比,使用HAL訓(xùn)練后的步行速度和功能性移動時間有顯著變化,且在臨床上有顯著意義。然而,對照組沒有經(jīng)歷等量的訓(xùn)練時間。在另外兩項小樣本后期研究中,每項研究都有三名參與者,研究結(jié)果不一致[50-51]。在其中一項前后對照研究中[50],通過使用6 min步行測試評估,顯示參與者在耐力方面得到了明顯改善。兩項小樣本前后對照研究[50-51]中,三名參與者在功能性移動時間方面得到了明顯改善。使用0.06～0.14 m/s的極小臨床重要差異評估,結(jié)果顯示參與者在步速方面的提高具有臨床意義[52]。

4.3 小結(jié)

綜合相關(guān)研究結(jié)果顯示,下肢外骨骼康復(fù)機器人或許不能替代傳統(tǒng)物理治療以提高腦卒中后患者的步態(tài)功能,但是可與傳統(tǒng)物理治療相結(jié)合,以輔助治療亞急性期腦卒中后患者的步態(tài)功能康復(fù)。另一方面,外骨骼機器人與傳統(tǒng)物理治療相比,對慢性期腦卒中后患者的步態(tài)功能康復(fù)在臨床上無顯著差異[10]。此外,由于目前臨床上的研究均是小樣本研究,因此需要實施大樣本、設(shè)計嚴謹?shù)脑囼炑芯?以表明下肢外骨骼康復(fù)機器人是否能夠更有效地促進腦卒中后患者整體康復(fù)。

5 下肢外骨骼康復(fù)機器人優(yōu)缺點

5.1 在運動訓(xùn)練中的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)康復(fù)治療,下肢外骨骼康復(fù)機器人可以輔助肢體進行高強度、高重復(fù)性康復(fù)訓(xùn)練,從而促使腦卒中后患者的神經(jīng)控制機制重建,最終改善患者肢體運動功能。下肢外骨骼康復(fù)機器人具有精確性、靈活性及柔性特點,可實時準(zhǔn)確調(diào)整運動參數(shù)與力學(xué)參數(shù)。此外,為了增強患者的積極主動參與性,現(xiàn)已研發(fā)出結(jié)合虛擬現(xiàn)實等多媒體技術(shù)的康復(fù)機器人系統(tǒng),使康復(fù)訓(xùn)練過程充滿樂趣,從而使康復(fù)治療效果更佳?；颊呖梢砸暂^低的心率、較少能量的消耗進行長時間訓(xùn)練,提高耐力。吊帶及固定帶的保護,增強了訓(xùn)練的安全性。下肢外骨骼康復(fù)機器人具有運動、防護、支撐三項功能,可以輔助患者改善各種運動功能,并可以應(yīng)用于更廣泛的環(huán)境中。

5.2 在腦卒中康復(fù)中應(yīng)用的局限性

目前,下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究尚處于發(fā)展階段,仍存在諸多問題,包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度較大、價格昂貴等。下肢外骨骼康復(fù)機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)仍不夠完善,對患者關(guān)節(jié)角度、力矩、速度等缺乏實時準(zhǔn)確控制。大多數(shù)機器人訓(xùn)練模式比較僵化,患者主動參與性仍較差,僅依賴于機器人完成訓(xùn)練,進而極大影響了康復(fù)訓(xùn)練效果。最重要的是,下肢外骨骼康復(fù)機器人對腦卒中后不同階段康復(fù)訓(xùn)練的持續(xù)時間和治療強度尚無定論。

6 應(yīng)用展望

隨著社會老齡化趨勢加重,腦卒中發(fā)病率逐年提高,致殘率隨之增高,這使康復(fù)機器人顯示出較大的實用價值。動力型下肢外骨骼康復(fù)機器人代表一種相對較新的技術(shù),目前臨床試驗表明,動力型下肢外骨骼康復(fù)機器人能夠安全有效地用于亞急性期和慢性期腦卒中后患者的步態(tài)訓(xùn)練干預(yù)[44]。下肢外骨骼康復(fù)機器人可以使患者克服在輪椅上無法應(yīng)對的環(huán)境條件,如爬樓梯等。此外,還可以在更廣泛的環(huán)境中使用,如工作場所、家庭及康復(fù)醫(yī)院等,并幫助患者進行日常生活活動?？梢?隨著科技的不斷進步與發(fā)展,下肢外骨骼康復(fù)機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)將不斷提升與改進。相信在不久的將來,下肢外骨骼康復(fù)機器人輔助治療對腦卒中后患者不同階段的步態(tài)功能會有顯著改善作用。