下肢康復機器人在腦卒中患者康復訓練中的應用進展

隗麒軒，何思佳，黃雨青 綜述 楊信才 審校

河北大學附屬醫(yī)院康復醫(yī)學科，河北 保定 071000

腦卒中是臨床的常見病和多發(fā)病，約1/3的腦卒中幸存患者不能恢復獨立的行走能力，而恢復步行能力的患者中有的則是以偏癱步態(tài)行走[1]。資料顯示，患者經(jīng)過早期正規(guī)康復治療后，在第一年末日常生活可以達到自理的患者可高達60%；處于工作年齡段的患者中，在第一年末，約30%的患者可以重新返回工作崗位[2]。然而，傳統(tǒng)的康復療法勞動強度很大，這給任何國家的醫(yī)療體系都帶來了巨大的經(jīng)濟負擔。下肢康復機器人不僅緩解了醫(yī)療機構的人員壓力，而且可以提供高強度、重復性以及減重支持性訓練，有利于急性期及亞急性期腦卒中患者盡早開始下肢功能訓練。本文對典型的下肢康復機器人及其技術進行綜述，以期為臨床應用及康復機器人研發(fā)提供參考。

1 下肢康復機器人介紹

下肢康復機器人包括步態(tài)訓練康復機器人、輔助行走康復機器人、末端驅動式康復機器人。步態(tài)訓練康復機器人通常是基于外骨骼支持系統(tǒng)與醫(yī)用跑臺相結合的下肢康復機器人，可幫助患者實現(xiàn)下肢在矢狀面的運動，為患者提供一個生理步態(tài)的康復訓練，如 Lokomat[3]、LokoHelp[4]。研究表明，Lokomat和 LokoHelp均能提高腦卒中偏癱患者的步行能力[5-6]。一項將生物反饋技術與Lokomat相結合的研究表明，Lokomat訓練顯著改善了患者的步態(tài)、日常生活活動能力和軀干控制能力，但由于生物反饋的內(nèi)容不同，其效果也不同。基于在線生物肌電信息(EMGb)的新型生物反饋能更有效地減少肌肉痙攣，改善踝關節(jié)、膝關節(jié)和髖關節(jié)的肌力。但是關節(jié)力矩生物反饋(Rb)比EMGb更能適應機器人的運動[7]。輔助行走康復機器人主要由機械外骨骼和輔助助行器組成，可以為患者提供從坐到站、從站到坐、行走以及上下樓等接近日常生活的訓練，如HAL[8]、ReWalk[9]。研究表明，HAL輔助訓練可以提高腦卒中偏癱患者的步行速度[10]。另一項對于慢性腦卒中患者的研究表明，HAL訓練結合傳統(tǒng)運動療法可以改善患者的平衡能力和獨立步行能力，但是單獨使用HAL的優(yōu)越性仍需進一步研究[11]。關于Re-Walk的研究表明，大多數(shù)受試者能夠實現(xiàn)城市環(huán)境中有限的社區(qū)步行，并且有利于疼痛管理以及腸道和膀胱功能[12]。末端驅動式康復機器人是通過作用于人體足部進行康復訓練的機器人，主要由機械腳踏板和減重裝置組成，更適用于早期腦卒中患者，如GangTrainer[13]、HapticWalker[14]。 研 究 表 明 ，Gang-Trainer能提高腦卒中偏癱患者的步行能力及日常生活活動能力[15]。另一項研究表明，與平地行走相比，使用末端驅動式機器人訓練時，受試者大腿和小腿肌肉的肌電活動較低，但膝關節(jié)屈肌和伸肌力量改善優(yōu)于平地訓練組[16]。

2 下肢康復機器人技術分析

2.1 減重支持技術 一項對病程3個月內(nèi)腦卒中偏癱患者的研究表明，在傳統(tǒng)康復治療的基礎上，早期應用減重步行訓練，能更顯著地提高偏癱患者的步行能力及日常生活活動能力[17]。伍少玲等[18]對60例腦卒中患者進行減重步行訓練的研究發(fā)現(xiàn)，減重步行訓練能顯著改善腦卒中患者的平衡能力、步行能力及步態(tài)。對恢復期腦卒中患者進行減重步行訓練的研究發(fā)現(xiàn)，減重支持訓練可以提高患者的平衡能力、步行能力，且在治療后3個月仍優(yōu)于對照組[19]。另一項對慢性腦卒中患者的研究發(fā)現(xiàn)，進行減重步行訓練可使改善患者步行時的肌肉活動時間順序[20]。有減重支持系統(tǒng)的下肢康復機器人可以減少患者由于下肢肌力不足而造成的下肢運動困難，從而使患者盡早下床進行步行訓練，減重訓練可以提高步行時的穩(wěn)定性、患者參與性及主動性[21]。下肢康復機器人通常利用懸吊系統(tǒng)實現(xiàn)減重訓練，如Lokomat、GangTrainer均有懸吊裝置，懸吊重量可以從顯示器上讀出。但是，懸吊操作較復雜，往往需要2個或2個以上治療師協(xié)作完成，而且懸吊系統(tǒng)的安全性尚需進一步驗證。有人將電動床板與下肢康復機器人相結合，通過調(diào)節(jié)床板角度實現(xiàn)不同程度的減重。將患者固定的電動床板上有較好的安全性，更適合于早期腦卒中患者，但是其減重程度有限且難以量化。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術 虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是一種新興的技術，因其具有安全性高、趣味性強、及時評估與反饋等特點，逐漸在康復領域中得到應用[22]。虛擬現(xiàn)實技術在康復醫(yī)學中的應用主要是借助虛擬境界，通過傳感技術為患者提供多種感覺刺激，主動進行人機交互，從而實現(xiàn)康復評估或康復訓練[23]。虛擬現(xiàn)實技術可為患者帶來真實感覺反饋，并增強大腦皮質的可塑性，將趣味性和任務導向性訓練相結合，提高患者治療的積極性、主動性與參與性。孫然等[24]比較了基于虛擬現(xiàn)實技術的平衡訓練和傳統(tǒng)平衡訓練，結果表明基于VR的平衡訓練較傳統(tǒng)平衡訓練更能有效地提高腦卒中偏癱患者的動靜態(tài)平衡能力。程秀艷等[25]將234例患者分為常規(guī)康復訓練組和VR治療組，經(jīng)過8周的治療，結果顯示VR治療可以改善腦卒中偏癱患者的下肢功能障礙,恢復軀體平衡能力,提高步行速度。其他研究表明，VR訓練可以改善腦卒中患者的日常生活活動能力[26]、步行能力及步態(tài)[27]。國外較早將VR技術應用于康復訓練[28-29]，如Rutger ArmⅡ康復訓練系統(tǒng)，其結合了虛擬游戲，可以在訓練中通過紅外線技術跟蹤患者的運動軌跡，為患者提供觸覺反饋[30]。隨著VR技術的發(fā)展，我國許多學者也將VR技術應用于康復機器人系統(tǒng)。張磊杰等[31]提出了一種基于虛擬現(xiàn)實的步態(tài)訓練康復機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速合理有效的存取患者的步態(tài)、心跳等信息，并將信息體現(xiàn)在游戲中，增加了康復訓練的趣味性。燕山大學設計了一種坐臥式下肢康復機器人，并結合了虛擬訓練，利用該下肢康復機器人患者可以在虛擬戶外騎行場景中進行騎行訓練[32]。新一代的步行康復機器人多結合虛擬現(xiàn)實技術，為患者增添訓練時的樂趣，增加感覺輸入，但當前的VR技術真實感低、融入性不強、沉浸感弱，仍需進一步改進。

2.3 人機交互技術 人機交互系統(tǒng)即傳感系統(tǒng)，由各類不同的傳感器組成，下肢康復機器人正是通過傳感系統(tǒng)對患者的運動信息進行全面識別[33]。下肢康復機器人使用的人機交互技術主要有：物理型和感知型。物理型人機交互法捕捉患者和機器人之間的運動學和力學信息，而感知性人機交互捕捉人體肌肉和腦部的信號[34]。美國BLEEX外骨骼機器人通過壓力傳感器和陀螺儀等來捕捉和分析人體的運動學和力學信息[35]。日本HAL-5機器人兼有壓力傳感器和生物電信號傳感器[36]，可以檢測由患者的肌肉活動產(chǎn)生的生物電信號和/或由患者預期的體重變化引起的地面反作用力信號，從而根據(jù)穿戴者的意愿產(chǎn)生運動。中科院合肥智能研究所研發(fā)的多傳感器感知系統(tǒng)，利用足底壓力信息來劃分步態(tài)周期，結合角度傳感器、加速度計和一維力傳感器做位置、速度和助力的反饋信號，為可穿戴助力機器人的運動控制提供感知信息基礎[37]。目前下肢康復機器人通常采用單一的物理型或感知型傳感器，傳統(tǒng)的力/位置交互策略具有明顯的時滯性、傳感數(shù)量多等缺點，以及穿戴者單純依靠力、位置等物理信號難以實現(xiàn)自由行走等功能，因此需要能更加準確、快速地判斷穿戴者運動意圖的新方法。腦電、肌電等生物信號由于能快速反應人的意圖，但也存在信號微弱等問題。因此，如何將腦電、肌電等生物信號與力、位置等物理反饋信號融合仍需進一步研究。

3 展望

早期康復可以促進軀體各種感覺的輸入，促進病損中樞神經(jīng)周圍側枝循環(huán)的建立，增加神經(jīng)軸突、突觸之間的聯(lián)系，從而促進受損側大腦半球的功能重塑，是促進腦卒中患者神經(jīng)功能重建的重要途徑[38-39]。隨著科學技術的發(fā)展，下肢康復機器人結合減重技術、虛擬現(xiàn)實技術及人機交互技術可幫助患者盡早進行步態(tài)訓練、坐-站訓練及行走訓練，為急性期及亞急性期腦卒中患者的康復提供了新途徑。但是，目前仍存在減重支持技術安全性不明確、懸吊裝置限制患者軀體運動、虛擬現(xiàn)實技術真實感低、物理型和感知型交互不能有效融合等問題。

近年來，下肢康復機器人在臨床中的應用越來越廣泛，但其應用和技術研究仍任重道遠。一方面，目前下肢康復機器人的臨床應用仍然是經(jīng)驗性的，需要進行更多的臨床研究來確定更精確的適應癥和使用劑量；另一方面，下肢康復機器人需要與計算機等相關學科進一步結合，從而為患者訓練提供更安全、更智能的技術支持。