下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展及其應(yīng)用進(jìn)展

隗麒軒，何思佳，黃雨青，楊信才，崔彩虹，王 寧

腦卒中具有發(fā)病率高、致殘率高的特點(diǎn)[1]，70%～80%的病人存在運(yùn)動(dòng)功能障礙，其中步行能力是病人希望恢復(fù)的功能之一[2]。腦卒中發(fā)生后，康復(fù)訓(xùn)練影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可塑性[3]，高強(qiáng)度、重復(fù)性和具有任務(wù)導(dǎo)向性的康復(fù)訓(xùn)練具有積極的臨床意義[4-6]。康復(fù)機(jī)器人的出現(xiàn)節(jié)約了大量的人力，并可提供密集重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練。現(xiàn)綜述下肢康復(fù)機(jī)器人特點(diǎn)，以期為今后的研究方向提出依據(jù)。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人簡(jiǎn)介

隨著機(jī)器人和電子信息技術(shù)發(fā)展，越來(lái)越多的下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于臨床康復(fù)治療中，根據(jù)功能分為步態(tài)訓(xùn)練型、輔助行走型和末端驅(qū)動(dòng)型。步態(tài)訓(xùn)練型下肢康復(fù)機(jī)器人包括機(jī)械外骨骼支持系統(tǒng)和醫(yī)用跑臺(tái)，主要為病人提供生理步態(tài)的康復(fù)訓(xùn)練；輔助行走型下肢康復(fù)機(jī)器人主要是由外骨骼和輔助助行設(shè)備構(gòu)成，幫助病人進(jìn)行坐到站、站到坐、行走及上下樓梯等與日常生活相關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練；末端驅(qū)動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人主要由機(jī)械腳踏板和減重裝置組成，可作用于人體足部進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

1.1 步態(tài)訓(xùn)練型康復(fù)機(jī)器人 Lokomat是瑞士蘇黎世大學(xué)附屬醫(yī)院康復(fù)中心與瑞士Hocoma醫(yī)療器械公司聯(lián)合研制的機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練裝置[7]。Lokomat是由減重系統(tǒng)、醫(yī)用跑臺(tái)和外骨骼固定系統(tǒng)組成，根據(jù)病人需求可輔助髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。Lokomat軟件包括預(yù)定運(yùn)動(dòng)模式，該模式是根據(jù)正常步態(tài)的研究建立的，治療師根據(jù)病人需求選擇指導(dǎo)參數(shù)[8]。有研究表明，Lokomat下肢康復(fù)機(jī)器人可改善腦卒中偏癱病人步行能力和生活質(zhì)量[9]。Hornby等[10]發(fā)現(xiàn)，與相同強(qiáng)度的下肢機(jī)器人訓(xùn)練比較，治療師指導(dǎo)下步態(tài)訓(xùn)練更有效。相關(guān)研究表明，Lokomat訓(xùn)練參數(shù)在塑造偏癱中風(fēng)病人的短期肌肉活動(dòng)和步態(tài)對(duì)稱性方面通常無(wú)效[11]。LokoHelp是德國(guó)LokoHelp Group研究所研發(fā)的下肢康復(fù)機(jī)器人，結(jié)果表明其有助于改善腦卒中后病人下肢運(yùn)動(dòng)功能[12]。其他步態(tài)訓(xùn)練型康復(fù)機(jī)器人還包括POGO、PAM[13]和ALEX[14]等。

1.2 輔助行走型康復(fù)機(jī)器人 HAL是由日本筑波大學(xué)研制的輔助行走型康復(fù)機(jī)器人[15]，主要包括外骨骼框架、傳感器和控制器。外骨骼框架主要用于固定和傳遞動(dòng)力。傳感器可檢測(cè)病人肌電信號(hào)和重力信號(hào)，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和動(dòng)態(tài)輔助，并提供運(yùn)動(dòng)支持進(jìn)行自助驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。HAL擺脫了跑臺(tái)的限制，病人在實(shí)際生活環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[16]。Kubota等[17]研究顯示，HAL訓(xùn)練可提高慢性腦卒中病人步行速度。另一項(xiàng)研究表明，HAL訓(xùn)練可提高慢性腦卒中病人步行速度，但在提高慢性腦卒中病人步行能力或平衡功能的可行性方面需進(jìn)一步探討[18]。

ReWalk是以色列ReWalk公司研制的輔助行走型康復(fù)機(jī)器人[19]，主要包括獨(dú)立控制的雙側(cè)髖膝關(guān)節(jié)馬達(dá)、電池和電腦系統(tǒng)，ReWalk通過(guò)測(cè)定微小的軀干運(yùn)動(dòng)和重心變化輔助病人行走。ReWalk特殊之處在于擁有遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)，通過(guò)控制器自主參與控制行走，進(jìn)而完成坐站轉(zhuǎn)移及行走指令，且該系統(tǒng)設(shè)置禁止同一條腿連續(xù)兩次步行的程序，提高了行走的安全性。關(guān)于ReWalk的研究表明，多數(shù)穿戴者可在城市社區(qū)實(shí)現(xiàn)步行功能，有助于改善疼痛、緩解痙攣及促進(jìn)腸道、膀胱功能，且未出現(xiàn)摔倒或自主神經(jīng)反射障礙等不良事件[19]。一項(xiàng)針對(duì)截癱病人研究表明，與膝-踝-足矯形器(KAFO)相比，ReWalk機(jī)器人可使截癱病人以較低的能量消耗行走，但在步態(tài)安全性、有效性、效率或病人滿意度方面不優(yōu)于KAFO[20]。其他輔助行走型機(jī)器人包括KineAssist[21]、WalkTrainer[22]等。

1.3 末端驅(qū)動(dòng)型下肢康復(fù)機(jī)器人 GangTrainer是德國(guó)Reha-Stim研究所研制的末端驅(qū)動(dòng)型下肢康復(fù)機(jī)器人[23]。GangTrainer主要通過(guò)踏板的前后運(yùn)動(dòng)模擬步行站立和擺動(dòng)階段，其中站立階段占60%，擺動(dòng)階段占40%[24]。當(dāng)病人無(wú)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力時(shí)，由機(jī)器人電機(jī)提供完全的驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)病人協(xié)助或抵抗踏板運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)相應(yīng)地調(diào)整輸出扭轉(zhuǎn)力。機(jī)器產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力傳輸?shù)诫娔X，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示在屏幕上，為病人和治療師提供生物反饋信號(hào)[25]。有研究表明，GangTrainer可顯著提高腦癱兒童髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度、步行速度等[26]。HapticWalker是一種末端驅(qū)動(dòng)型康復(fù)機(jī)器人，它不僅能模擬緩慢而平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡，如在地板樓梯上行走，還可模擬腳的運(yùn)動(dòng)，甚至絆腳或滑動(dòng)[27]。其他末端驅(qū)動(dòng)型下肢康復(fù)機(jī)器人包括Univ.Gyeongsang[28]等。

2 下肢康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用

有研究表明，下肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)腦卒中偏癱病人下肢屈髖肌群肌力、伸膝肌群肌力恢復(fù)具有促進(jìn)作用[29]，下肢康復(fù)機(jī)器人配合肌電生物反饋治療有助于改善病人下肢運(yùn)動(dòng)功能與痙攣程度[30]。一項(xiàng)Meta分析表明，下肢康復(fù)機(jī)器人治療慢性或亞急性腦卒中獨(dú)立步行方面優(yōu)于傳統(tǒng)治療組，但恢復(fù)步行速度方面，兩組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。因此，下肢康復(fù)機(jī)器人適用于無(wú)法獨(dú)立行走的病人，這可能是由于機(jī)器人更易實(shí)現(xiàn)恢復(fù)步行訓(xùn)練，而對(duì)可自主行走的病人，主要目標(biāo)是恢復(fù)步行速度，機(jī)器人的應(yīng)用較難實(shí)現(xiàn)行走速度訓(xùn)練[31]。相關(guān)研究表明，下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練可促進(jìn)腦卒中偏癱病人平衡功能的恢復(fù)，但其是否優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練尚不明確[32-33]。一項(xiàng)回顧性研究顯示，下肢康復(fù)機(jī)器人治療對(duì)步行速度和步行能力無(wú)顯著影響，與傳統(tǒng)物理療法結(jié)合對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)有較小影響[34]。另一項(xiàng)研究表明，在改善腦卒中病人的步態(tài)方面，下肢康復(fù)機(jī)器人輔助治療是對(duì)傳統(tǒng)物理療法的有益補(bǔ)充，但無(wú)明確證據(jù)表明機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練優(yōu)于傳統(tǒng)物理療法[35]。一方面，可能是由于機(jī)器人采用模塊化訓(xùn)練方法，這種訓(xùn)練方法將復(fù)雜的肢體動(dòng)作分解為關(guān)節(jié)特有的、單一的、重復(fù)的運(yùn)動(dòng)模式(如肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展)。與常規(guī)對(duì)人類運(yùn)動(dòng)發(fā)展的理解是不一致的，人類的運(yùn)動(dòng)不是單一運(yùn)動(dòng)的組合，而是在不斷嘗試和錯(cuò)誤中發(fā)展的。模塊化訓(xùn)練方法與目前的康復(fù)思維不一致，康復(fù)鍛煉已不是單純的重復(fù)性訓(xùn)練，而是強(qiáng)調(diào)恢復(fù)對(duì)病人生活和工作有意義的功能活動(dòng)。另一方面，多數(shù)機(jī)器人設(shè)備根據(jù)需要均采用了提供輔助支持的驅(qū)動(dòng)方式。理論上，該模型幫助病人減少誤差，并促使病人形成正確的運(yùn)動(dòng)模式。相關(guān)研究表明，病人可能過(guò)度依賴這種反饋，從而不利于離開(kāi)機(jī)器人之后的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[36]。

3 小 結(jié)

下肢康復(fù)機(jī)器人在某些方面較治療師輔助的訓(xùn)練更具優(yōu)勢(shì)。一方面，下肢康復(fù)機(jī)器人可減少密集的人員需求，有助于緩解目前康復(fù)技術(shù)人才短缺的現(xiàn)狀；另一方面，下肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練輸出可進(jìn)行量化設(shè)置，如足底壓力等，并客觀記錄病人輸出，如運(yùn)動(dòng)時(shí)間等，這些均有利于進(jìn)行循證醫(yī)學(xué)研究。目前關(guān)于康復(fù)機(jī)器人的研究仍存在爭(zhēng)議，需進(jìn)一步研究。同一類型的康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于有步行能力和無(wú)步行能力的病人療效不同，仍需進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)以明確下肢康復(fù)機(jī)器人適用的疾病或病人類型。下肢康復(fù)機(jī)器人可改善腦卒中偏癱病人下肢運(yùn)動(dòng)能力和步態(tài)，但關(guān)于不同下肢康復(fù)機(jī)器人之間的療效對(duì)比較少，今后研究應(yīng)確定不同類型機(jī)器人優(yōu)勢(shì)，從而為病人提供精確的治療。下肢康復(fù)機(jī)器人可提供高強(qiáng)度、高重復(fù)性的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，極大減輕了醫(yī)療機(jī)構(gòu)人員負(fù)擔(dān)，但關(guān)于下肢康復(fù)機(jī)器人的使用頻率和強(qiáng)度尚無(wú)統(tǒng)一定論，需進(jìn)一步研究。不同機(jī)器人提供的輔助類型不同，今后研究應(yīng)明確機(jī)器人治療有效的特征和方式，并確定機(jī)器人必須提供的軌跡和感官輸入，以提高病人康復(fù)的質(zhì)量和效率。