智能設(shè)備在腦卒中后平衡功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用

曹倩茹，周予婧，劉夢(mèng)君，凌晨，張泓，肖四旺

平衡能力作為人體重要的生理機(jī)能之一，與姿勢(shì)、轉(zhuǎn)移及運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)。平衡功能受損常表現(xiàn)為坐立不穩(wěn)、轉(zhuǎn)移及步行能力降低、跌倒風(fēng)險(xiǎn)增加，嚴(yán)重影響日常生活和生存質(zhì)量[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來腦卒中的致殘率高達(dá)60%～70%[2]，其中約83%遺留有平衡功能障礙[3-4]，極大地加重了家庭和社會(huì)的負(fù)擔(dān)，平衡功能的提高是運(yùn)動(dòng)功能和日常生活活動(dòng)能力恢復(fù)的根本，因此平衡康復(fù)尤為重要[5]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代化技術(shù)高速發(fā)展，傳統(tǒng)康復(fù)手段已不能滿足當(dāng)今患者的康復(fù)需求，智能設(shè)備已成為腦卒中患者平衡功能障礙康復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)平衡功能的常規(guī)康復(fù)及智能康復(fù)進(jìn)行了比較分析，并以平衡維持機(jī)制的主要環(huán)節(jié)要點(diǎn)為框架，將智能設(shè)備分為視覺反饋平衡訓(xùn)練儀、康復(fù)機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、便攜式智能可穿戴設(shè)備四類，介紹了智能康復(fù)設(shè)備在腦卒中后平衡功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用，同時(shí)比較了不同智能設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，為臨床研究與應(yīng)用實(shí)踐提供思路與參考。

1 智能康復(fù)與常規(guī)康復(fù)的比較

平衡康復(fù)的原理是基于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性機(jī)制[6-7]，增加以任務(wù)為導(dǎo)向的重復(fù)性學(xué)習(xí)，刺激大腦皮層特定區(qū)域神經(jīng)纖維募集、產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)、誘發(fā)新的運(yùn)動(dòng)模式，從而提高平衡及運(yùn)動(dòng)功能。常規(guī)的平衡康復(fù)方法主要是由治療師采用各種手法或利用康復(fù)器具(平衡墊、雙杠、巴氏球等)進(jìn)行不同體位姿勢(shì)下的重心轉(zhuǎn)移和運(yùn)動(dòng)控制練習(xí)；還可通過姿勢(shì)矯正鏡、觸碰、言語(yǔ)提示等強(qiáng)化感覺輸入；而懸吊、核心訓(xùn)練、神經(jīng)肌肉促進(jìn)技術(shù)等側(cè)重于增強(qiáng)核心穩(wěn)定性，對(duì)軀干控制、重心轉(zhuǎn)移及整體運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行訓(xùn)練[8-9]。雖然在一定程度上能提高患者的平衡及運(yùn)動(dòng)功能，但其治療效果受治療師工作經(jīng)驗(yàn)和技能水平影響較大，訓(xùn)練過程中缺少必要的反饋訓(xùn)練，容易造成異常的運(yùn)動(dòng)和損傷，且動(dòng)作單一、缺乏趣味性和客觀性，難以調(diào)動(dòng)患者的積極性和主動(dòng)性，無法滿足長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)精準(zhǔn)、有針對(duì)性的高質(zhì)量康復(fù)訓(xùn)練要求。而隨著國(guó)家政策與人工智能技術(shù)的發(fā)展，依托于智能設(shè)備的康復(fù)方法已成為卒中后平衡康復(fù)的新選擇。視覺反饋平衡訓(xùn)練儀、下肢康復(fù)機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及智能可穿戴設(shè)備等已逐漸應(yīng)用于臨床，并具有常規(guī)康復(fù)方法所無法比擬的優(yōu)勢(shì)?？蓾M足高重復(fù)性、高強(qiáng)度的訓(xùn)練要求，提供準(zhǔn)確、規(guī)范及個(gè)性化的訓(xùn)練方案，增強(qiáng)趣味性并能充分調(diào)動(dòng)患者的積極性和主動(dòng)性[10]；還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，大大彌補(bǔ)了常規(guī)康復(fù)方法的不足，更為高效、安全與便捷。

2 智能康復(fù)在腦卒中平衡康復(fù)中的應(yīng)用

平衡的維持依賴于中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下感覺系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的共同參與和相互作用[11]，即大腦中樞對(duì)外周傳入視覺、本體覺、平衡覺等感覺信息進(jìn)行整合分析后形成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方案并下達(dá)運(yùn)動(dòng)指令，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接收指令后按照相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式協(xié)調(diào)控制姿勢(shì)、調(diào)整重心、恢復(fù)或重建平衡。智能康復(fù)便是基于平衡維持的這三大系統(tǒng)，利用新興技術(shù)手段干預(yù)感覺的輸入以及運(yùn)動(dòng)的傳出，通過反復(fù)訓(xùn)練從而提高腦卒中后患者的平衡功能。

2.1 視覺反饋平衡訓(xùn)練儀 視覺反饋平衡訓(xùn)練儀是利用視覺反饋系統(tǒng)采用情景模擬游戲等強(qiáng)化感覺的輸入；可通過患者本身平衡覺和平衡儀的反饋，獲取重心移動(dòng)軌跡和姿勢(shì)搖擺的動(dòng)態(tài)反饋，向中樞傳入各類感覺刺激，強(qiáng)化本體感覺，促進(jìn)身體重心對(duì)稱性分布，從而改善平衡功能[12-14]。常見的平衡訓(xùn)練儀包括Pro-Kin、Tetrax 、PC-708A、MTD-systems、Smart-EquiTest、Neurocom、Balance Control Trainer等；其中Pro-Kin平衡訓(xùn)練儀在滿足重復(fù)性、趣味性和個(gè)性化訓(xùn)練的基礎(chǔ)上還可進(jìn)行定性、定量的客觀評(píng)估，在臨床上應(yīng)用最為廣泛[15]。近年來無論是文獻(xiàn)研究還是臨床實(shí)踐[16-19]，均表明視覺反饋平衡儀在腦卒中的康復(fù)中具有積極作用，有助于改善患者的站立位平衡及日常生活能力。李光磊等[20]對(duì)24例腦卒中后遺留平衡功能障礙的患者采用Prokin視覺反饋平衡訓(xùn)練儀進(jìn)行治療發(fā)現(xiàn)，視覺反饋平衡訓(xùn)練可增強(qiáng)患者本體感覺、有效提高其平衡及步行能力。由于臨床實(shí)踐中只有在站立情況下方可使用該儀器，不適用于早期康復(fù)；因此有研究者創(chuàng)新性地將視覺反饋平衡訓(xùn)練儀與減重系統(tǒng)相結(jié)合[21]，使患者早期在減重狀態(tài)下便可利用視覺反饋平衡系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)盡早改善平衡及步行功能意義深遠(yuǎn)，大大減少了卒中后遺癥的發(fā)生。

2.2 康復(fù)機(jī)器人 將智能化機(jī)器人設(shè)備與現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合是數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的潮流，更是互聯(lián)網(wǎng)趨動(dòng)的必然。常見的下肢康復(fù)機(jī)器人以外骨骼式和末端式為主[22]，Lokomat下肢康復(fù)機(jī)器人作為世界上第一臺(tái)將下肢外骨骼機(jī)械與運(yùn)動(dòng)平板相結(jié)合的智能運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)器人[23]，具備高強(qiáng)度、重復(fù)性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于腦卒中的康復(fù)治療中并取得了良好的療效。Lokomat主要由減重系統(tǒng)、外骨骼矯正器、運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)及其控制系統(tǒng)組成[24]，可利用減重系統(tǒng)支撐部分體重，在減重狀態(tài)下外骨骼矯正器與跑臺(tái)相協(xié)調(diào)，通過機(jī)械腿帶動(dòng)患者按正常運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行重復(fù)性、規(guī)律性及漸進(jìn)性擺動(dòng)；還可測(cè)量并記錄運(yùn)動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)，及時(shí)感知下肢肌張力的變化，根據(jù)患者的功能進(jìn)展情況適時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式，有利于平衡功能的整體提高[25]。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)下肢康復(fù)機(jī)器人聯(lián)合常規(guī)平衡康復(fù)療法更有助于提升下肢肌力，改善平衡與運(yùn)動(dòng)功能，尤其對(duì)亞急性期腦卒患者的平衡及步態(tài)好恢復(fù)具有良好的療效[26-28]。吳志遠(yuǎn)等[29]研究采用下肢康復(fù)機(jī)器人根據(jù)患者自身實(shí)際情況選擇站立角度、踏步模式及左/右腿活動(dòng)范圍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練提高了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)平衡及日常功能控制的指標(biāo)，如Berg平衡量表(Berg balance scale，BBS)、Fugel-Meyer運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分(Fugel-Meyer motor assessment scale，F(xiàn)MA)明顯增加而神經(jīng)功能缺損評(píng)分(national institute of health stroke scale，NIHSS)明顯降低，由此可見下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練可減輕腦卒中患者神經(jīng)損傷程度，促進(jìn)平衡功能及下肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，基于腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可塑性和動(dòng)作學(xué)習(xí)與控制理論[30]，利用計(jì)算機(jī)及其輔助系統(tǒng)模擬產(chǎn)生一個(gè)具有多感官刺激的三維立體虛擬環(huán)境，根據(jù)患者自身功能水平選擇并設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)模式與難易程度，患者通過對(duì)視、聽、觸等各種感覺的反饋實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)時(shí)感知虛擬環(huán)境的變化并加以調(diào)整從而達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。VR兼具交互、沉浸與構(gòu)想三大特點(diǎn)，可提供豐富的虛擬環(huán)境，使患者產(chǎn)生身臨其境般的感受和體驗(yàn)，同時(shí)還為康復(fù)訓(xùn)練提供了重復(fù)練習(xí)、實(shí)時(shí)反饋、維持動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵因素的技術(shù)手段，在豐富的環(huán)境中通過重復(fù)性的主動(dòng)訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)，增加神經(jīng)源性因子的產(chǎn)生，加快側(cè)支循環(huán)建立，改善神經(jīng)功能缺損，提高平衡及整體運(yùn)動(dòng)功能[31-32]。已有多項(xiàng)研究表明[33-35]基于VR的平衡訓(xùn)練可改善腦卒中后不同體位姿勢(shì)下的動(dòng)、靜態(tài)平衡功能，尤其在改善長(zhǎng)期站立位平衡方面療效顯著[36]。此外更有學(xué)者選擇將VR技術(shù)與核心穩(wěn)定性訓(xùn)練、本體感覺神經(jīng)肌肉促進(jìn)技術(shù)(proprioceptive neuromusclar facilitation，PNF)等常規(guī)康復(fù)療法聯(lián)合使用，均取得了較為可觀的治療效果[37]。

2.4 便攜式智能可穿戴設(shè)備 腦卒中后易出現(xiàn)的足下垂、內(nèi)翻嚴(yán)重影響平衡及步態(tài)的恢復(fù)[38]，而便攜式智能可穿戴設(shè)備如動(dòng)態(tài)踝足矯形器(dynamic ankle-foot orthosis，DAFO)、可穿戴式智能足底壓力視覺反饋鞋墊等可利用傳感系統(tǒng)對(duì)患者運(yùn)動(dòng)過程中平衡和步態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為患者提供個(gè)性化的訓(xùn)練方案。俞沁圓等[39]探討動(dòng)態(tài)踝足矯形器對(duì)腦卒中患者步行能力及平衡功能康復(fù)的影響研究發(fā)現(xiàn)，使用DAFO可有效矯正患者踝足功能障礙，促進(jìn)其平衡及步行能力的恢復(fù)，較常規(guī)康復(fù)而言可在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到更好的療效。梁嘉欣等[40]研究可穿戴式智能足底壓力視覺反饋鞋墊對(duì)腦卒中患者的影響發(fā)現(xiàn)其可通過內(nèi)襯于鞋墊的足底壓力傳感器對(duì)患者進(jìn)行平衡與步態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與訓(xùn)練，可有效改善患者的平衡、協(xié)調(diào)與步態(tài)，且較常規(guī)訓(xùn)練方法效果更為顯著。

3 不同智能設(shè)備在腦卒中平衡康復(fù)中的比較

視覺反饋平衡訓(xùn)練儀以干預(yù)視覺傳入作為主要手段，利用視覺反饋強(qiáng)化感覺刺激、調(diào)節(jié)前庭功能；適合于已具備站立位平衡的患者，主要用于改善站立位動(dòng)、靜態(tài)平衡及步行功能，并可結(jié)合足底壓力，利用生物力學(xué)反饋，定性、定量地進(jìn)行評(píng)估。但其視覺傳入的真實(shí)性、立體性較虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)差，游戲相對(duì)單調(diào)，不生活化，必須與減重設(shè)備聯(lián)合使用方能應(yīng)用于卒中就早期患者，性價(jià)比相對(duì)較低。

下肢康復(fù)機(jī)器人以干預(yù)運(yùn)動(dòng)傳出作為主要手段，訓(xùn)練中通過逐漸減少承重強(qiáng)化本體感覺輸入，反復(fù)刺激大腦皮層引起特定神經(jīng)纖維募集，誘發(fā)新的運(yùn)動(dòng)模式；更適合于亞急性期患者，主要用于改善站位平衡及步行功能。下肢康復(fù)機(jī)器人還可根據(jù)反饋系統(tǒng)及時(shí)感知張力的變化，更為安全有效且能精準(zhǔn)控制肢體的運(yùn)動(dòng)，可減少由于代償所致的一系列不正確的運(yùn)動(dòng)模式，但機(jī)器人設(shè)備較為笨重，需要專業(yè)人士在特定場(chǎng)所才能進(jìn)行，靈活性差、價(jià)格昂貴，且基本不具備評(píng)估功能。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是將視覺傳入與運(yùn)動(dòng)傳出進(jìn)行整合后的手段，利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的豐富虛擬環(huán)境，以自然方式實(shí)現(xiàn)用戶與環(huán)境的感覺刺激交互，可使患者在訓(xùn)練時(shí)觀察強(qiáng)化對(duì)動(dòng)作的認(rèn)知，適合卒中后各個(gè)時(shí)期的患者，應(yīng)用最為廣泛，可全方位改善患者不同體位下的動(dòng)、靜態(tài)平衡。其視覺傳入是三維立體的，可憑借自然方式實(shí)現(xiàn)用戶與環(huán)境的感覺刺激交互，與其他智能設(shè)備相比更生動(dòng)形象、趣味性更強(qiáng)、性價(jià)比更高但評(píng)估功能相對(duì)較弱。

便攜式智能可穿戴設(shè)備是基于傳感系統(tǒng)對(duì)平衡和步態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適合已具備站立位三級(jí)平衡或步行功能的患者，主要用于改善站立位下的動(dòng)態(tài)平衡及步態(tài)，并可在訓(xùn)練的同時(shí)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果，兼具評(píng)估與治療。其最便攜性與易使用性是其相較于其他智能設(shè)備而言最大的優(yōu)點(diǎn)，可操作性強(qiáng)、性價(jià)比高，但僅適用于某一類功能障礙患者的需求，且需要量身定制，針對(duì)不同類別的功能障礙類型需要適配不同的可穿戴設(shè)備。

4 小結(jié)與展望

基于文獻(xiàn)可知，智能設(shè)備應(yīng)用于腦卒中后平衡功能障礙康復(fù)中的療效顯著且具有可觀的發(fā)展前景，但設(shè)備本身研發(fā)以及臨床應(yīng)用研究仍存在一定的局限。就其設(shè)備本身而言目前大致存在以下幾個(gè)方面的問題：人工智能的建立依托大數(shù)據(jù)，但目前針對(duì)智能設(shè)備康復(fù)這方面的研究不足，缺乏足夠且高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐，嚴(yán)重影響其精準(zhǔn)性；智能設(shè)備大多依靠傳感器與計(jì)算機(jī)處理實(shí)現(xiàn)可視化，但傳感器的穩(wěn)定性及可靠性尚未得到具體的證實(shí)。臨床上利用智能設(shè)備進(jìn)行康復(fù)越來越普及，但也存在一定的局限性：對(duì)治療參數(shù)的選擇、治療時(shí)間、強(qiáng)度及適應(yīng)癥均缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，療效可比性存在一定爭(zhēng)議。臨床使用過程中存在誤差較大、功能單一以及設(shè)備佩戴的舒適性問題。

對(duì)此我們建議：①在今后的實(shí)驗(yàn)中，在符合醫(yī)學(xué)道德倫理要求的前提下，征得患者同意，豐富智能設(shè)備在腦卒中康復(fù)中的研究，擴(kuò)充人工智能系統(tǒng)大數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)備，保證大數(shù)據(jù)處理的可靠性；②尋求技術(shù)支持，在滿足治療要求的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化機(jī)器設(shè)備，達(dá)到輕便易攜帶的效果，使智能康復(fù)得到全民普及；③完善優(yōu)化研究設(shè)計(jì)方案，加大對(duì)治療參數(shù)、時(shí)間、強(qiáng)度記憶適應(yīng)癥等的研究，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。④加大對(duì)智能設(shè)備康復(fù)的推廣及應(yīng)用，使其能普及大眾。

綜上所述，依托于智能設(shè)備的康復(fù)手段對(duì)腦卒中后平衡功能障礙患者具有良好的療效，盡管目前存在不足，但隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展以及國(guó)家的政策支持，智能康復(fù)必將成為未來康復(fù)發(fā)展的新趨勢(shì)，人工智能的介入將為腦卒中的康復(fù)提供新的思路與保障。