下肢康復(fù)機(jī)器人改善痙攣型腦性癱瘓兒童步行移動(dòng)功能的物理治療研究進(jìn)展

馬婷婷，張皓

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市 100068；2.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院，a.兒童物理療法科；b.神經(jīng)康復(fù)科，北京市100068

腦癱是一組持續(xù)存在的中樞性運(yùn)動(dòng)和姿勢發(fā)育障礙、活動(dòng)受限癥候群，其中約60%～70%為痙攣型腦癱[1-2]，該類兒童由于肌張力增高和原始反射持續(xù)存在而導(dǎo)致有效運(yùn)動(dòng)減少，步行移動(dòng)功能受限[3]。步行是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的終極目標(biāo)在生物力學(xué)水平上的體現(xiàn)，對兒童心理和運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性的形成均有重要意義[4]。傳統(tǒng)的步行訓(xùn)練效果易受環(huán)境、訓(xùn)練強(qiáng)度、治療師專業(yè)水平等因素影響，操作標(biāo)準(zhǔn)無法規(guī)范統(tǒng)一，評定指標(biāo)不能標(biāo)準(zhǔn)量化[5]；傳統(tǒng)訓(xùn)練模式單一枯燥，兒童在長期訓(xùn)練中易產(chǎn)生畏難、厭倦等消極情緒，影響配合程度[6]。下肢康復(fù)機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、重復(fù)性強(qiáng)、可標(biāo)準(zhǔn)量化指標(biāo)的特點(diǎn)，近來具有很高的研究熱度[7]。機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練(robot-assisted gait training,RAGT)在成人步行移動(dòng)功能物理治療中的應(yīng)用越來越廣泛，但在兒童領(lǐng)域尚處于初期階段。高強(qiáng)度的重復(fù)性訓(xùn)練可以促進(jìn)兒童大腦皮質(zhì)重組，使其學(xué)習(xí)并存儲(chǔ)正確的運(yùn)動(dòng)模式[8]。鑒于兒童的神經(jīng)可塑性優(yōu)于成人，兒童采用下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行步行移動(dòng)功能訓(xùn)練應(yīng)比成人獲得更佳的效果[9]。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人

1.1 下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展

康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于殘疾人物理治療始于20 世紀(jì)60 年代[10]，受當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)水平影響，應(yīng)用十分有限；直至1987年，英國Mike Topping 公司成功研制出Handy 1 康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)幫助腦癱兒童獨(dú)立進(jìn)食，康復(fù)機(jī)器人才真正進(jìn)入產(chǎn)品研究階段[11]。經(jīng)過30余年的快速發(fā)展，下肢康復(fù)機(jī)器人作為康復(fù)機(jī)器人的重要分支和傳統(tǒng)物理治療的輔助手段逐漸進(jìn)入臨床應(yīng)用，幫助患者提高步行移動(dòng)功能[12]。如今，下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能越來越復(fù)雜，關(guān)節(jié)自由度由單個(gè)發(fā)展到多個(gè)，訓(xùn)練模式由單一化發(fā)展為多模式。最新一代的下肢康復(fù)機(jī)器人能夠結(jié)合視覺誘發(fā)增強(qiáng)的自主腦控技術(shù)，智能化帶動(dòng)患者通過“意念”控制行走；同時(shí)在落地時(shí)進(jìn)入自平衡狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)重心糾偏扭轉(zhuǎn)，提高步行能力[13]。

1.2 下肢康復(fù)機(jī)器人的分類

根據(jù)人機(jī)結(jié)合模式，下肢康復(fù)機(jī)器人分為牽引式和外骨骼式。牽引式結(jié)構(gòu)簡單且便于控制，能為患者提供平面運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。外骨骼式機(jī)器人基于仿生原理設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，在步行時(shí)可以直接控制多個(gè)關(guān)節(jié)，能夠基于正常步態(tài)對患者的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行判斷而進(jìn)行更加有效的被動(dòng)和主動(dòng)訓(xùn)練，是康復(fù)機(jī)器人的研究方向[14]。

根據(jù)患者在訓(xùn)練時(shí)的不同姿態(tài)，下肢康復(fù)機(jī)器人分為坐臥式和站立式，其中站立式對于改善步行移動(dòng)功能的效果尤為明顯。站立式機(jī)器人與減重懸吊系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平板、功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)等相結(jié)合，能夠輔助支撐患者身體并進(jìn)行直線、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階等多模式步行移動(dòng)功能訓(xùn)練[15]。

1.3 下肢康復(fù)機(jī)器人的步行移動(dòng)功能康復(fù)機(jī)制

下肢康復(fù)機(jī)器人的步行移動(dòng)功能康復(fù)機(jī)制尚未明確，有學(xué)者認(rèn)為與大腦神經(jīng)可塑性原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)理論有關(guān)[16]。神經(jīng)可塑性是神經(jīng)系統(tǒng)通過改變結(jié)構(gòu)或功能以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力[17]。運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)是反復(fù)練習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累的過程，通過各種反饋對肢體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制并調(diào)整異常姿勢，最終表現(xiàn)為技能型運(yùn)動(dòng)方式以獲得相對持久的運(yùn)動(dòng)能力[18]。

由于持久存在的神經(jīng)功能障礙，患者需要進(jìn)行長期以活動(dòng)為基礎(chǔ)的移動(dòng)訓(xùn)練以獲得最大化的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。大腦的損傷區(qū)域雖然不能完全修復(fù)，但損傷區(qū)域的工作可由鄰近神經(jīng)區(qū)域部分代償，而長時(shí)間高強(qiáng)度訓(xùn)練對于促進(jìn)髓鞘再生和發(fā)展新的神經(jīng)突觸至關(guān)重要[19]。下肢康復(fù)機(jī)器人可能通過高強(qiáng)度的重復(fù)性運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的代償和重組；提供精確的控制力輔助下肢進(jìn)行趨近正常的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化本體感覺刺激以促進(jìn)肢體產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而形成正確的感覺-運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路，以增強(qiáng)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和下肢運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，幫助患者恢復(fù)步行移動(dòng)功能。

盡管目前仍未完全明確其機(jī)制，但已有臨床隨機(jī)試驗(yàn)證明痙攣型腦癱兒童通過RAGT 能夠更早、更充分地增強(qiáng)軀干控制、單側(cè)下肢負(fù)重及髖膝關(guān)節(jié)伸展的能力，在平衡和運(yùn)動(dòng)功能等方面也有較好效果[20]。

2 下肢康復(fù)機(jī)器人在痙攣型腦癱兒童步行移動(dòng)功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用

本文通過檢索PubMed、Embase、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、萬方數(shù)據(jù)庫等國內(nèi)外電子數(shù)據(jù)庫，以《國際功能、殘疾和健康分類》(International Classification of Functioning,Disability and Health,ICF)為框架，將文獻(xiàn)按照身體結(jié)構(gòu)與功能、活動(dòng)、參與進(jìn)行分類并綜述。

2.1 身體結(jié)構(gòu)與功能

2.1.1關(guān)節(jié)活動(dòng)度(range of motion,ROM)

痙攣型腦癱兒童由于缺少四肢的靈活性運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)容易出現(xiàn)攣縮和變形，導(dǎo)致關(guān)節(jié)活動(dòng)受限。在步行中常見因支撐相髖膝關(guān)節(jié)伸展不足而產(chǎn)生蹲伏步態(tài)，影響步行移動(dòng)功能[21]。有研究指出下肢康復(fù)機(jī)器人可有效減小支撐相髖關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)弧范圍和站立相后期膝關(guān)節(jié)屈曲ROM[20]。Lerner 等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，RAGT 后站立相膝伸展ROM 擴(kuò)大了18.1°，擺動(dòng)相髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍和膝關(guān)節(jié)總體運(yùn)動(dòng)范圍亦明顯增加，兒童步行姿勢更為協(xié)調(diào)。而踝關(guān)節(jié)外骨骼RAGT則顯著提高痙攣型腦癱兒童踝關(guān)節(jié)背屈ROM，糾正尖足步態(tài)[23]。

綜上所述，下肢康復(fù)機(jī)器人可以通過機(jī)械腿改善痙攣型腦癱兒童髖、膝、踝關(guān)節(jié)在步行過程中的矢狀面ROM，糾正異常姿勢并提高步行移動(dòng)功能。

2.1.2肌力

痙攣型腦癱兒童由于本體感覺和運(yùn)動(dòng)覺的減退或缺失導(dǎo)致選擇性運(yùn)動(dòng)控制被破壞，在步行中無法激活足夠的肌肉運(yùn)動(dòng)單位，肌力弱于正常兒童[24-25]。一般采用徒手肌力檢查(Manual Muscle Test,MMT)進(jìn)行肌力評定，但其測定遠(yuǎn)端肢體肌肉的信度不高，評定結(jié)果也易受治療師專業(yè)水平和主觀意識(shí)影響[26]。目前普遍使用表面肌電(surface electromyographic,sEMG)系統(tǒng)定量評定兒童在步行中的肌力變化，發(fā)現(xiàn)RAGT時(shí)兒童的股直肌、股內(nèi)側(cè)肌和脛骨前肌肌力顯著高于平地步行[27]。此外，手持式肌力測定儀(Hand-hold Dynamometer,HHD)在測定下肢肌力方面也有較好的重測信度，使用HHD 測量發(fā)現(xiàn)脛骨前肌肌力在無束縛踝關(guān)節(jié)外骨骼RAGT 后增加44%[28]。一項(xiàng)系統(tǒng)綜述表明[29]，RAGT 對脛骨前肌肌力提高有積極影響，但對臀中肌等髖部肌肉影響不大。

綜上所述，下肢康復(fù)機(jī)器人通過調(diào)節(jié)干預(yù)刺激大小促進(jìn)痙攣型腦癱兒童下肢力量，提高肌肉協(xié)同和控制能力，對伸膝、踝背屈表層肌肉有明顯作用，對髖部和深層肌肉力量的提高仍需進(jìn)一步研究。

2.1.3肌張力

痙攣型腦癱兒童由于跖屈肌牽張反射引起踝痙攣，產(chǎn)生尖足步態(tài)。下肢康復(fù)機(jī)器人對于痙攣型腦癱兒童肌張力的影響尚有爭議。一項(xiàng)觀察性隊(duì)列研究[23]對28 例痙攣型腦癱兒童進(jìn)行15 h 的治療觀察，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過每次75 min、每周2 次的踝關(guān)節(jié)外骨骼RAGT 后，有27 例在踝跖屈快速牽拉試驗(yàn)中速度加快，提示腓腸肌肌張力下降，應(yīng)用改良Ashworth 量表(modified Ashworth Scale,MAS)評定的隨機(jī)對照試驗(yàn)[30]也得出相似的結(jié)果。但尹正錄等[31]的研究顯示，痙攣型腦癱患者RAGT 后，異常肌張力并未明顯降低；Kawasaki等[32]認(rèn)為RAGT 甚至?xí)痣枘c肌肌張力增高。

存在爭議的原因可能包括：①受試對象的大腦損傷部位和程度不同，粗大運(yùn)動(dòng)功能分級(Gross Motor Function Classification System,GMFCS)有差異，納入標(biāo)準(zhǔn)不一致；②肌張力障礙程度不同；③治療師操作不統(tǒng)一。具體原因仍需進(jìn)一步研究。

2.1.4步態(tài)參數(shù)

痙攣型腦癱兒童在步行中不能為脛骨產(chǎn)生向前的推進(jìn)力而妨礙身體前進(jìn)和利用下肢的動(dòng)量向前，兒童需要代償性增加雙足支撐時(shí)間保持平衡并協(xié)調(diào)下一步運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致步態(tài)時(shí)相的比例失衡，步速、步長、步行距離等明顯落后于正常同齡兒童[33]。

下肢康復(fù)機(jī)器人通過對兒童輸入接近正常的感覺和運(yùn)動(dòng)模式，不斷糾正其出現(xiàn)的錯(cuò)誤動(dòng)作，改善兒童的步態(tài)時(shí)空參數(shù)；還可明顯提高兒童自選步行速度(self-selected walking speed,SWS)和最大步行速度(maximum walking speed,MWS)下的6 分鐘步行距離(6-minutes walking distance,6MWD)[34]。一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究[35]通過對比RAGT、部分減重跑臺(tái)訓(xùn)練(partial body weight-supported treadmill exercises,PBWSTE)和抗重力跑臺(tái)訓(xùn)練(Anti-gravity Treadmill Exercises,ATE)的訓(xùn)練效果，發(fā)現(xiàn)三種訓(xùn)練對痙攣型腦癱兒童步速、步長、步頻和6MWD 均有明顯改善效果，RAGT效果更佳，且更能調(diào)動(dòng)兒童步行的主動(dòng)性。

關(guān)于步態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和時(shí)相變化方面，一項(xiàng)交叉對照試驗(yàn)[32]對比11例痙攣型腦癱兒童RAGT前后足底壓力的變化，發(fā)現(xiàn)7 例足趾蹬地力在RAGT 后有所提高，但另4 例因獨(dú)站不能而無法完成試驗(yàn)。Han等[36]的Meta分析雖然指出RAGT 可顯著延長痙攣型腦癱兒童下肢支撐時(shí)間并提高步行穩(wěn)定性，但因所涉及的研究很少且年代久遠(yuǎn)，無法說明RAGT對于痙攣型腦癱群體的步態(tài)時(shí)相變化有積極影響。

綜上所述，下肢康復(fù)機(jī)器人可有效改善痙攣型腦癱兒童的步態(tài)時(shí)空參數(shù)，但在步態(tài)時(shí)相關(guān)系變化和動(dòng)力學(xué)參數(shù)方面仍需進(jìn)行大樣本量、設(shè)計(jì)良好的有效研究。

2.2 活動(dòng)

2.2.1運(yùn)動(dòng)功能

痙攣型腦癱兒童由于肌張力異常增高及原始反射持續(xù)存在而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能低下[37]。粗大運(yùn)動(dòng)功能測試(Gross Motor Functional Measure,GMFM)作為評定兒童運(yùn)動(dòng)功能的重要指標(biāo)具有很高的可信度，與痙攣型腦癱兒童運(yùn)動(dòng)功能呈顯著正相關(guān)[18]。下肢康復(fù)機(jī)器人對各年齡組痙攣型腦癱兒童GMFM 累積數(shù)值有明顯提高效果，特別是對4～6 歲患兒的改善超過了該年齡段的預(yù)期[38]。Wiart等[39]進(jìn)行的一項(xiàng)多中心、雙盲、隨機(jī)對照試驗(yàn)中將144 例痙攣型腦癱兒童隨機(jī)分為RAGT 組、RAGT 結(jié)合功能性物理治療(functional physical therapy,FPT)組、FPT 組和對照組，在經(jīng)過每次50 min、每周2 次、持續(xù)8～10 周的訓(xùn)練后，RAGT 組GMFM 評分較訓(xùn)練前顯著提高，RAGT 結(jié)合FPT 組次之，說明RAGT 與痙攣型腦癱兒童運(yùn)動(dòng)功能的改善呈顯著相關(guān)[40]。Carvalho 等[41]的Meta 分析認(rèn)為，RAGT 對痙攣型腦癱兒童短期運(yùn)動(dòng)功能有非常積極的影響。

下肢康復(fù)機(jī)器人對痙攣型腦癱兒童運(yùn)動(dòng)功能的長期療效和時(shí)間尚不明確。一項(xiàng)雙中心、單盲、交叉對照試驗(yàn)認(rèn)為，在統(tǒng)一了干預(yù)頻率和干預(yù)持續(xù)時(shí)間的情況下，RAGT 對于提高痙攣型腦癱兒童運(yùn)動(dòng)功能有明顯幫助[8]。但尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于干預(yù)模式的標(biāo)準(zhǔn)化大樣本研究。鑒于納入標(biāo)準(zhǔn)、樣本量和干預(yù)強(qiáng)度的不同，RAGT長期療效可能維持3～6個(gè)月。

2.2.2平衡

痙攣型腦癱兒童無法精細(xì)化控制肌肉的活動(dòng)強(qiáng)度，不能正確感知肢體在空間中的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并進(jìn)行雙下肢的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，需要身體其他部位代償以完成步行，而代償則導(dǎo)致非對稱性姿勢的發(fā)生，身體重心發(fā)生偏移[25]。Berg平衡量表是評定平衡功能的常用方法，信度良好。有研究發(fā)現(xiàn)[21]，12 周的RAGT即可明顯提高兒童Berg 平衡量表評分，但未分析其長期療效。也有使用平衡評定設(shè)備如Biodex 系統(tǒng)對兒童身體質(zhì)心中心(center of mass,COM)位置變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡的定量化評定，認(rèn)為下肢康復(fù)機(jī)器人是改善痙攣型腦癱兒童動(dòng)態(tài)平衡功能的重要工具[42]。Wallard 等[43]則通過比較訓(xùn)練前后身體COM 與壓力中心(center of pressure,COP)的動(dòng)力軌跡發(fā)現(xiàn)，治療組COMCOP矢狀軸投影距離在訓(xùn)練后明顯增加，說明兒童在RAGT后能夠更好地在動(dòng)態(tài)平衡控制下以推進(jìn)步態(tài)重組步行。

綜上所述，下肢康復(fù)機(jī)器人通過機(jī)械腿的干預(yù)糾正痙攣型腦癱兒童的異常姿勢，調(diào)整身體重心，提高平衡能力。但缺乏長期隨訪證據(jù)，尚不能證明其長期療效。

2.2.3能量消耗

痙攣型腦癱兒童由于不同程度的運(yùn)動(dòng)障礙導(dǎo)致軀干僵硬而出現(xiàn)“塊”狀運(yùn)動(dòng)模式(bloc pattern)，需要消耗更多的能量來完成步行[44]。痙攣型腦癱兒童比正常兒童更易疲勞，中重度痙攣型腦癱兒童可能無法獨(dú)立完成步行，需要乘坐輪椅完成移動(dòng)[45]。

下肢康復(fù)機(jī)器人對痙攣型腦癱兒童步行時(shí)能量消耗的研究較少，且療效不一。Aras 等[35]發(fā)現(xiàn)痙攣型腦癱兒童在20 次RAGT 后，步行耗氧量明顯減少，生理消耗指數(shù)(physiological cost index,PCI)明顯降低，療效在3 個(gè)月后仍保持。但另一項(xiàng)臨床隨機(jī)對照試驗(yàn)卻顯示[46]，經(jīng)過4 周共12 次RAGT 后，痙攣型腦癱兒童的PCI未有顯著改善。

出現(xiàn)這種差異的原因可能包括：①受試對象納入標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，GMFCS 分級有差異；②受試樣本量?。虎墼u定人員專業(yè)水平差異；④部分受試者的心率受緊張等心理因素影響而加快，導(dǎo)致測試指標(biāo)準(zhǔn)確性降低[47]。

2.3 參與

痙攣型腦癱兒童由于活動(dòng)能力受限而無法參加正常的家庭、學(xué)校和社會(huì)生活，參與能力受到嚴(yán)重影響。加拿大作業(yè)活動(dòng)量表(Canadian Occupational Performance Measure,COPM)是評定痙攣型腦癱兒童參與能力的一種指標(biāo)，在國外腦癱人群中應(yīng)用廣泛，國內(nèi)應(yīng)用較少[48]。

下肢康復(fù)機(jī)器人對于痙攣型腦癱兒童參與能力的研究較少，且缺乏大樣本隨機(jī)對照證據(jù)。有研究發(fā)現(xiàn)[49]，33例痙攣型腦癱兒童經(jīng)過16 次RAGT 后，COPM 評分顯著提高，家長報(bào)告兒童參與家庭和學(xué)?；顒?dòng)的主觀意識(shí)和客觀能力均有所加強(qiáng)。Kuroda等[50]的研究亦支持此觀點(diǎn)。但一項(xiàng)前瞻性對照隊(duì)列研究則認(rèn)為[40]，經(jīng)過3 周RAGT 后，兒童的COPM 數(shù)值并未明顯改善。

出現(xiàn)這種差異的原因可能包括：①受試對象納入標(biāo)準(zhǔn)有差異；②受試樣本量小，訓(xùn)練時(shí)長差異大；③部分受試者理解和表達(dá)能力低下，不能有效完成量表評定。

2.4 其他

除了運(yùn)動(dòng)方面，下肢康復(fù)機(jī)器人對于緩解痙攣型腦癱兒童及家長的焦慮情緒，提高康復(fù)期望值也有一定作用[51]。家長將RAGT 視為一種潛在的革命性技術(shù)，是改善兒童步行移動(dòng)功能的必要部分[52]。Gilardi 等[53]通過主觀問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)RAGT 可顯著提高兒童和家長對康復(fù)的期望值，提升痙攣型腦癱兒童家庭的幸福感[54]，同時(shí)也減輕治療師的疲勞度。

3 小結(jié)

綜上所述，下肢康復(fù)機(jī)器人以高強(qiáng)度、重復(fù)性運(yùn)動(dòng)為特點(diǎn)，對改善痙攣型腦癱兒童下肢ROM、肌力和步態(tài)時(shí)空參數(shù)效果顯著，值得在臨床中推廣。對兒童的短期運(yùn)動(dòng)和平衡功能有明顯改善效果，但長期療效以及干預(yù)措施的標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)行深入研究。下肢康復(fù)機(jī)器人在降低異常肌張力方面仍存在爭議，對步態(tài)時(shí)相變化和動(dòng)力學(xué)參數(shù)、能量消耗和參與能力方面的研究較少。

今后的下肢康復(fù)機(jī)器人研究需要進(jìn)行大樣本量、設(shè)計(jì)良好的多中心臨床研究，并更多開展降低異常肌張力、步態(tài)時(shí)相關(guān)系變化和動(dòng)力學(xué)因素、減少能量消耗和提高參與能力方面的研究，使下肢康復(fù)機(jī)器人作為傳統(tǒng)物理治療的補(bǔ)充手段，將兒童作為一個(gè)整體，以ICF 框架為基礎(chǔ)進(jìn)行步行移動(dòng)功能、活動(dòng)和參與的全方位量化治療，而非局限于某一方面進(jìn)行治療。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。