上肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中的臨床應(yīng)用進(jìn)展

李宇淇，曾慶，黃國(guó)志

南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，廣東廣州市 510280

腦卒中是目前導(dǎo)致肢體功能障礙的主要原因[1]，約80%腦卒中患者出現(xiàn)上肢偏癱，其中只有1/3 偏癱上肢可恢復(fù)功能[2]。腦卒中后上肢偏癱主要表現(xiàn)為偏癱側(cè)肌無(wú)力、痙攣、協(xié)調(diào)性差和失用[2]。目前偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練主要由治療師指導(dǎo)完成，訓(xùn)練效果受到治療師水平、訓(xùn)練強(qiáng)度等影響[3]，且訓(xùn)練中不能即時(shí)反饋訓(xùn)練效果，訓(xùn)練后缺乏客觀評(píng)估數(shù)據(jù)。對(duì)腦卒中后患者進(jìn)行重復(fù)刺激訓(xùn)練和一定強(qiáng)度的特定任務(wù)訓(xùn)練，能促進(jìn)神經(jīng)可塑性，提高運(yùn)動(dòng)功能[4]。上肢康復(fù)機(jī)器人具有無(wú)疲勞、定量化、個(gè)體化的優(yōu)點(diǎn)，一方面可提供大劑量、高重復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[5]，另一方面可提供客觀即時(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和評(píng)估數(shù)據(jù)[6]。盡管機(jī)器人的治療效果仍有爭(zhēng)論，但機(jī)器人輔助康復(fù)治療已經(jīng)成為腦卒中后肢體功能康復(fù)的有效方案[7]。

1 上肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展和理論基礎(chǔ)

自20 世紀(jì)90 年代MIT-Manus 問(wèn)世以來(lái)，上肢康復(fù)機(jī)器人不斷改進(jìn)并蓬勃發(fā)展，目前比較具有代表性的機(jī)器人有Lum PS、MIMEA(包括三代)、MIT-Manus、RM-Guide 機(jī)器人、上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人ARMin[8]、清華大學(xué)復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人等。隨著科技進(jìn)步，上肢機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能漸趨復(fù)雜。首先，關(guān)節(jié)由1 個(gè)自由度發(fā)展到多個(gè)自由度，訓(xùn)練模式由單一向多種模式發(fā)展。其次，上肢機(jī)器人逐步智能化。最初只是單純提供助力運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在則可結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、力反饋等技術(shù)；還可在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練同時(shí)，自動(dòng)化評(píng)估、智能反饋訓(xùn)練結(jié)果等。最后，機(jī)器人輔助訓(xùn)練能結(jié)合多種物理因子和輔助設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。

上肢康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)機(jī)制尚未明確。部分學(xué)者認(rèn)為是基于神經(jīng)可塑性原理。神經(jīng)可塑性是指神經(jīng)系統(tǒng)通過(guò)改變結(jié)構(gòu)和/或功能，適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力[9]，可以表現(xiàn)在分子、突觸、神經(jīng)元等層面，也可以表現(xiàn)在半球內(nèi)或半球間[10]。上肢機(jī)器人可能通過(guò)促進(jìn)偏癱上肢的重復(fù)、漸進(jìn)訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，促進(jìn)中樞神經(jīng)的代償和重組[11]。已有部分臨床研究和少量基礎(chǔ)研究證實(shí)這一假說(shuō)[12]。機(jī)器人輔助治療通過(guò)增加本體感覺(jué)輸入，可促進(jìn)神經(jīng)可塑性。如使用外骨骼機(jī)器人做手指游戲運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，功能磁共振可觀察到大腦半球軀體感覺(jué)皮質(zhì)不對(duì)稱激活[13]；在運(yùn)動(dòng)任務(wù)存在輔助反饋時(shí)，皮質(zhì)區(qū)之間的功能連接(相干性)增加[14]。國(guó)外有人提出一種模仿人類上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的M 平臺(tái)[15]，可結(jié)合多種先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步研究腦卒中后神經(jīng)可塑性機(jī)制。

盡管目前上肢機(jī)器人輔助治療機(jī)制尚未完全明確，有待全面研究[16]，但大量臨床隨機(jī)試驗(yàn)證明，上肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)偏癱上肢恢復(fù)有效。

2 上肢康復(fù)機(jī)器人的分類和訓(xùn)練模式

基于機(jī)械結(jié)構(gòu)類型，上肢康復(fù)機(jī)器人大致可分為兩大類：上肢末端執(zhí)行器和上肢外骨骼機(jī)器人[17]。上肢末端執(zhí)行器指設(shè)備只與上肢的末端(手和/或腕)接觸，通過(guò)末端帶動(dòng)近端運(yùn)動(dòng)。上肢外骨骼機(jī)器人則以復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，模擬人的上肢結(jié)構(gòu)，可以單獨(dú)或同時(shí)控制上肢的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)[18]。上肢末端執(zhí)行器的主要優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、安裝方便，主要缺點(diǎn)為缺乏對(duì)近端的控制，可能誘導(dǎo)偏癱肢體出現(xiàn)異常代償運(yùn)動(dòng)模式。上肢外骨骼機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是直接控制各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，可減少異常的姿勢(shì)或運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備較為昂貴[15]。

根據(jù)訓(xùn)練的部位不同，上肢康復(fù)機(jī)器人又可分為手部康復(fù)機(jī)器人、腕手康復(fù)機(jī)器人、肩肘部康復(fù)機(jī)器人。根據(jù)功能，可分為功能性電刺激輔助上肢康復(fù)機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)上肢康復(fù)機(jī)器人、基于表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)上肢康復(fù)機(jī)器人、腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[19]。

在臨床訓(xùn)練過(guò)程中，上肢康復(fù)機(jī)器人主要提供4 種運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模式：主動(dòng)運(yùn)動(dòng)、輔助運(yùn)動(dòng)、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)[20]。主動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練不提供力支持，上肢康復(fù)機(jī)器人僅為一種測(cè)量裝置。當(dāng)受訓(xùn)者不能積極執(zhí)行相關(guān)訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，上肢康復(fù)機(jī)器人將提供一定輔助，幫助完成訓(xùn)練。當(dāng)受訓(xùn)者完全無(wú)自主活動(dòng)時(shí)，上肢康復(fù)機(jī)器人提供完全的輔助。當(dāng)受訓(xùn)者可主動(dòng)運(yùn)動(dòng)后，上肢康復(fù)機(jī)器人可提供阻力訓(xùn)練[2]。臨床可根據(jù)患者的具體情況，選擇合理的訓(xùn)練模式。

3 上肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中后上肢功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用

Basteris 等[2]的Meta 分析顯示，上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練后，超過(guò)1/2 急性期和慢性期腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能改善，超過(guò)1/3患者日常生活活動(dòng)能力提高；亞急性期患者只納入3組，其中2 組上肢功能和活動(dòng)能力改善。目前缺乏高質(zhì)量的臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)表明上肢康復(fù)機(jī)器人較傳統(tǒng)的物理治療更為有效[21]。

3.1 運(yùn)動(dòng)功能

腦卒中后上肢功能障礙主要表現(xiàn)為上肢無(wú)力、痙攣和運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)。上肢康復(fù)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于腦卒中后各期患者，對(duì)腦卒中患者進(jìn)行高度重復(fù)性、功能性和針對(duì)性的任務(wù)導(dǎo)向性康復(fù)治療[22]，提高上肢運(yùn)動(dòng)功能。

上肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)各期腦卒中運(yùn)動(dòng)功能均有改善，主要改善偏癱側(cè)上肢肩肘部力量、速度和運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)等功能，對(duì)腕手運(yùn)動(dòng)功能改善較小。Volpe 等[23]的臨床隨機(jī)試驗(yàn)表明，急性腦卒中患者接受上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練后，肩部和肘部運(yùn)動(dòng)功能提高較為明顯。亞急性期腦卒中患者使用肩肘部康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練平均3 周后，受試者多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分總體提高，以肩肘部改善明顯，遠(yuǎn)端功能也有一定改善[4]。慢性期患者使用上肢康復(fù)機(jī)器人可改善肩肘部功能，包括運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)速度、力量等，但腕部功能改善較小[7]。一項(xiàng)觀察性隊(duì)列研究比較強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)療法、上肢機(jī)器人輔助治療和鏡像療法的治療效果，結(jié)果顯示，上肢Fugl-Meyer 評(píng)定量表(Fugl-Meyer Assessment,FMA)評(píng)分＜30 分的慢性腦卒中患者，更適合使用上肢康復(fù)機(jī)器人治療或強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)治療[24]。Veerbeek 等[25]的Meta 分析顯示，上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練可普遍改善腦卒中后偏癱患者的運(yùn)動(dòng)控制。

腕手訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人可提高腕手的靈巧度[26]，提高握力，改善手指協(xié)調(diào)性。一項(xiàng)多中心隨機(jī)試驗(yàn)顯示[21]，穿戴上肢康復(fù)機(jī)器人可以改善亞急性期腦卒中患者的手指靈巧度和握力。另一項(xiàng)臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)顯示[27]，其對(duì)慢性期腦卒中患者手功能改善也有作用，主要改善手部運(yùn)動(dòng)控制。更高強(qiáng)度的機(jī)器人訓(xùn)練可有效提高腕手運(yùn)動(dòng)功能[28]。

3.2 肌張力

上肢機(jī)器人對(duì)于腦卒中后患者肌張力的影響仍有爭(zhēng)議。一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)表明[29]，使用上肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)腦卒中后偏癱患者進(jìn)行上肢功能訓(xùn)練，偏癱側(cè)上肢異常增高的肌張力較治療前降低，同時(shí)也能改善功能障礙和疼痛，但相比傳統(tǒng)康復(fù)療效無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。另一項(xiàng)臨床試驗(yàn)表明[30]，肌電介導(dǎo)的上肢康復(fù)機(jī)器人能降低腦卒中慢性期患者肌張力，并進(jìn)一步改善手部的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力。

但Caimmi等[7]的臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)顯示，慢性期腦卒中患者接受上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練后，偏癱上肢異常增高的肌張力無(wú)明顯降低。Meta分析顯示[25]，上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練甚至?xí)鹕现埩υ龈摺?/p>

可見(jiàn)上肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)偏癱上肢肌張力的影響仍有爭(zhēng)論?？赡艿脑蛴校孩偌{入標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)致各期患者差異大，而不同時(shí)期患者的神經(jīng)可塑性不同[25]，恢復(fù)能力不同，導(dǎo)致結(jié)果不同；②納入患者運(yùn)動(dòng)功能損傷程度不同，肌張力障礙程度不同；③治療師對(duì)肌張力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可能不一致。

3.3 日常生活活動(dòng)能力

上肢機(jī)器人治療可以提高運(yùn)動(dòng)功能和上肢力量，但是上肢功能的提高并沒(méi)有使患者日常生活能力得到提高[2]。Mehrholz等[31]的Meta分析顯示，上肢康復(fù)機(jī)器人可改善急性期和亞急性期腦卒中患者的日常生活能力。張超等[32]的臨床試驗(yàn)顯示，上肢康復(fù)機(jī)器人能有效改善急性期腦卒中上肢偏癱患者的上肢功能，但對(duì)慢性期腦卒中患者日常生活能力無(wú)明顯改善。Kwakkel 等[33]的系統(tǒng)綜述顯示，上肢機(jī)器人訓(xùn)練組治療前后，腦卒中患者日常生活能力未見(jiàn)明顯改善。

可能的原因如下。①腦卒中患者日常生活能力提高較少，量表測(cè)量無(wú)法體現(xiàn)。一些研究觀察到上肢機(jī)器人訓(xùn)練后，患者自我照料能力有所提高，但沒(méi)有體現(xiàn)在量表測(cè)評(píng)中[34]。②上肢康復(fù)機(jī)器人注重單關(guān)節(jié)訓(xùn)練，將近端和遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)訓(xùn)練結(jié)合可能效果更好[2]。③上肢機(jī)器人訓(xùn)練任務(wù)中缺乏日常生活能力訓(xùn)練任務(wù)，或任務(wù)不適用于提高日常生活能力[35]。

4 上肢康復(fù)機(jī)器人與其他療法的聯(lián)合治療

機(jī)器人輔助訓(xùn)練可與多種治療方法相結(jié)合。上肢機(jī)器人結(jié)合近端神經(jīng)肌肉電刺激可改善近端關(guān)節(jié)活動(dòng)度和FMA 評(píng)分[36]；功能性電刺激與機(jī)器人結(jié)合的混合型機(jī)器人治療可改善上肢運(yùn)動(dòng)功能[37]。機(jī)器人結(jié)合低頻經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)可改善腦卒中患者單側(cè)忽略，但與單純TMS治療和單純機(jī)器人治療相比，無(wú)顯著性差異[38]。既往認(rèn)為，機(jī)器人輔助訓(xùn)練與經(jīng)顱直流電刺激結(jié)合，能改善對(duì)亞急性期和慢性期患者上肢運(yùn)動(dòng)功能和日常生活能力，但對(duì)多數(shù)患者來(lái)說(shuō)，經(jīng)顱直流電刺激是一種不適的體驗(yàn)[39]。肉毒毒素注射于痙攣部位可降低肌張力，而機(jī)器人輔助訓(xùn)練則可提高肌力，兩者結(jié)合可提高慢性期腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能[40]。單獨(dú)迷走神經(jīng)電刺激對(duì)腦卒中后上肢偏癱無(wú)效，但如結(jié)合上肢康復(fù)機(jī)器人，則可改善慢性期患者的上肢功能，原因可能是迷走神經(jīng)電刺激增加神經(jīng)可塑性，恢復(fù)相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)水平[41]，從而增強(qiáng)上肢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效果。榮積峰等[42]將常規(guī)康復(fù)治療與上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)合鏡像療法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)后者可以更有效提高腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能。

總之，上肢康復(fù)機(jī)器人可與多種康復(fù)方法相結(jié)合。既往研究顯示，上肢康復(fù)機(jī)器人與功能性電刺激、肉毒毒素注射結(jié)合，能更有效提高上肢功能。但需更多臨床試驗(yàn)證明其有效性。

5 小結(jié)

機(jī)器人輔助治療主要是以任務(wù)為導(dǎo)向，進(jìn)行高強(qiáng)度、重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練，并增加聽(tīng)覺(jué)互動(dòng)和觸覺(jué)反饋，可量化反饋訓(xùn)練效果。上肢康復(fù)機(jī)器人主要優(yōu)點(diǎn)如下。①機(jī)器人可根據(jù)評(píng)估結(jié)果提供精準(zhǔn)的訓(xùn)練方式，可遠(yuǎn)程監(jiān)控且訓(xùn)練過(guò)程無(wú)疲勞[43]。②安全性良好[44]。一項(xiàng)納入44 項(xiàng)臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)的Meta 分析顯示[25]，上肢機(jī)器人輔助治療無(wú)不良事件發(fā)生。③機(jī)器人輔助訓(xùn)練可提供準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)[45]，量化感覺(jué)運(yùn)動(dòng)輸入，使訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)劑量可控[23]，同時(shí)也為制定和調(diào)整康復(fù)計(jì)劃提供客觀信息[4]。④機(jī)器人可以提供多種反饋，如力反饋、位置反饋、視覺(jué)反饋和聽(tīng)覺(jué)反饋等，這些反饋是客觀的。⑤有豐富的游戲任務(wù)訓(xùn)練[25]，增加訓(xùn)練的趣味性。

但上肢機(jī)器人訓(xùn)練也存在一些缺點(diǎn)。①目前機(jī)器人治療不具有整體性，只針對(duì)具體部位[46]，如肩肘部、手腕部等。②上肢機(jī)器人輔助訓(xùn)練可能誘導(dǎo)代償運(yùn)動(dòng)，對(duì)糾正患者代償模式存在一定困難。③機(jī)器人沒(méi)有同理心[46]，而康復(fù)治療不能僅是單純治療，還需要對(duì)患者進(jìn)行人文關(guān)懷?？祻?fù)機(jī)器人還需要進(jìn)一步研發(fā)和改良，完善其功能。

在上肢機(jī)器人臨床應(yīng)用研究方面，目前還存在以下不足。①目前的臨床試驗(yàn)證據(jù)質(zhì)量較低，樣本量較少。②目前有部分研究顯示對(duì)腦卒中后單側(cè)忽略、認(rèn)知功能等有一定改善作用[23,47]，但此方面研究較少。③特定種類機(jī)器人對(duì)腦卒中后上肢功能障礙患者的療效優(yōu)勢(shì)研究不足。目前已有部分研究顯示，神經(jīng)肌肉電刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)機(jī)器人較非NMES機(jī)器人療效更好[30]。④上肢康復(fù)機(jī)器人最佳治療時(shí)間、頻率、強(qiáng)度仍無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。⑤上肢康復(fù)機(jī)器人的作用機(jī)制仍不清楚。

未來(lái)需要設(shè)計(jì)良好、大樣本、多中心臨床研究，評(píng)估上肢機(jī)器人對(duì)腦卒中后患者上肢功能的療效[31]。更多開(kāi)展機(jī)器人對(duì)認(rèn)知障礙、偏側(cè)忽略等功能障礙的研究。隨著各種特定種類上肢機(jī)器人數(shù)量增加，需要更多臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持其在康復(fù)中應(yīng)用的利弊，并探索其未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。需要進(jìn)一步研究康復(fù)機(jī)器人作用時(shí)間、頻率、強(qiáng)度，為機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用提供可靠依據(jù)。進(jìn)一步研究其作用機(jī)制。