下肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中步態(tài)康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

楊玲玲，劉 津，蔡華安，b

(湖南師范大學(xué)附屬第一醫(yī)院 a.康復(fù)三科，b.轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所運(yùn)動醫(yī)學(xué)研究室，湖南 長沙 410000)

在1990～2017年，由于風(fēng)險因素控制和治療的改善，全球腦卒中死亡率降低了33%，但絕大多數(shù)卒中患者都存在不同程度的偏癱，對患者回歸家庭和社會產(chǎn)生了極大的影響[1]。獨(dú)立與安全的行走能力是卒中幸存者康復(fù)的最常見目標(biāo)，相關(guān)文獻(xiàn)表明，30%～40%的卒中幸存者即使在康復(fù)后也只具備有限的或沒有行走能力，因此，提高卒中幸存者步態(tài)康復(fù)的功效尤為重要[2]。機(jī)器人步態(tài)康復(fù)是25年前出現(xiàn)的一種替代常規(guī)手動步態(tài)訓(xùn)練的方法,與傳統(tǒng)療法相比，機(jī)器人的步態(tài)康復(fù)可以在引人入勝的環(huán)境中提供高度控制，重復(fù)和密集的訓(xùn)練，減輕治療師的身體負(fù)擔(dān)，并且能客觀精確地量化評估患者的運(yùn)動功能改善情況[3]。為了更好了解機(jī)器人在腦卒中步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練中的治療方法，本文概述了下肢康復(fù)機(jī)器人及其輔助設(shè)備在步態(tài)康復(fù)中涉及到的感覺運(yùn)動通路和肢體間的協(xié)調(diào)作用，以及在腦卒中步態(tài)康復(fù)的臨床研究，希望能從中得到啟發(fā)。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人簡介

下肢康復(fù)機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四大部分組成,其關(guān)鍵技術(shù)包括主被動自由度、驅(qū)動方式、傳動關(guān)節(jié)、感知技術(shù)、減重支持技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及人機(jī)交互技術(shù)等；其康復(fù)訓(xùn)練模式可分為被動模式，主動輔助模式，主動模式和主動抵抗模式四種；其康復(fù)設(shè)備可以分為主動，被動和混合動力設(shè)備；其驅(qū)動方式可以分為電動、氣動、和液壓驅(qū)動[4]。通常，下肢康復(fù)機(jī)器人可分為兩類，即外骨骼機(jī)器人(多關(guān)節(jié)驅(qū)動式機(jī)器人)和末端驅(qū)動式機(jī)器人[5]。外骨骼機(jī)器人可分為一是基于跑步機(jī)的外骨骼機(jī)器人，例如Lokomat[6]其外骨骼可以帶動患者下肢在跑步機(jī)上進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練；二是基于輔助助行器的外骨骼機(jī)器人，例如Hybird assistive limb(HAL)[7]，可以為腦卒中患者提供站立、坐下、行走以及上下樓等接近日常生活的訓(xùn)練，并允許患者自愿和以自主行動模式來進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練。末端驅(qū)動式機(jī)器人可分為一是基于腳踏板的末端驅(qū)動式機(jī)器人，例如GangTrainer[8]是有懸吊裝置減重的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人；二是基于平臺的末端驅(qū)動型器人，例如Ruegst ankle[9]是基于一個具有虛擬現(xiàn)實、力反饋和遠(yuǎn)程控制技術(shù)平臺的腳踝康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，通過分析平臺收到的數(shù)據(jù)了解患者腳踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動，然后遠(yuǎn)程評估和指導(dǎo)患者進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟綉B(tài)康復(fù)培訓(xùn)。步態(tài)康復(fù)效果的評估手段包括步態(tài)參數(shù)、表面肌電圖、腦電圖、經(jīng)顱磁刺激、足底壓力、卒中相關(guān)量表和新陳代謝率等；步態(tài)訓(xùn)練的療效評估指標(biāo)眾多，目前尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但其中步態(tài)數(shù)據(jù)和卒中相關(guān)量表必不可少。對于下肢，訓(xùn)練的強(qiáng)度和劑量對步態(tài)康復(fù)尤其重要，目前也尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2 感覺運(yùn)動通路

下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)康復(fù)機(jī)制尚未完全明確，但與神經(jīng)可塑性密切相關(guān)。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，各種感覺輸入可以促進(jìn)病損中樞神經(jīng)周圍側(cè)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(jìn)受損側(cè)大腦半球的功能重塑，促進(jìn)神經(jīng)可塑性。因而可借助機(jī)器人及其輔助設(shè)備來輔助物理治療師，以結(jié)構(gòu)化方式結(jié)合視覺、觸覺、聽覺及本體感覺多種感覺機(jī)制，或強(qiáng)化感覺刺激，從而觸發(fā)病損中樞不常使用的神經(jīng)通路以彌補(bǔ)丟失的通路，或促進(jìn)形成新的感覺運(yùn)動神經(jīng)通路，加速恢復(fù)下肢運(yùn)動障礙[10，11]。另下肢康復(fù)機(jī)器人及其系統(tǒng)還可以作為輔助裝置來補(bǔ)償持續(xù)存在的感覺運(yùn)動缺陷。

2.1 視覺視覺可以為與位置或空間運(yùn)動有關(guān)的棘上神經(jīng)提供感覺輸入，主要用于反饋位置、軌跡、運(yùn)動進(jìn)度等空間信息，把視覺刺激加入下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)，既可以增強(qiáng)視覺與運(yùn)動的協(xié)調(diào)性，也同時增加患者的參與度，并鼓勵患者通過激活目標(biāo)肌肉群來改善它們的運(yùn)動功能[12]。目前應(yīng)用最多的是虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)加入下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)，VR已經(jīng)被證實可以作為一種刺激視覺運(yùn)動路徑并誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性的有效方法，當(dāng)下肢康復(fù)機(jī)器人與VR技術(shù)相結(jié)合，即可以增添患者訓(xùn)練時的樂趣，提高主動性；又可在高重復(fù)性的任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練中增加視覺刺激，從而提高步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練效果。胡靖然等[13]證明VR技術(shù)加入下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練較單純下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練更能改善腦卒中患者的下肢功能及平衡能力；Lokomat結(jié)合VR系統(tǒng)，其通過腦電圖數(shù)據(jù)表明，使用VR可影響參與運(yùn)動計劃和學(xué)習(xí)的多個大腦區(qū)域(可能包括鏡像神經(jīng)元系統(tǒng))，從而使卒中后偏癱患者的步態(tài)和平衡能力得到最大改善[6]。但當(dāng)前的VR技術(shù)真實感低、融入性不強(qiáng)、沉浸感弱，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

2.2 聽覺聽覺可以作為一種有效的感覺刺激加入下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，例如機(jī)器人可以通過語音提示來促進(jìn)運(yùn)動或鼓勵和勸阻相關(guān)行為，也可通過有節(jié)奏的聽覺提示使步態(tài)與節(jié)奏同步以改善步態(tài)。有中等程度的證據(jù)表明，下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)加入有節(jié)奏的聽覺提示進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練后，卒中患者的步速和步幅得到改善[14]。

2.3 本體感覺平衡對維持正常的行走及步態(tài)尤其重要，平衡由視覺、前庭覺及本體感覺共同維持，其中本體感覺最為重要。本體感覺是指機(jī)體中肌、腱、關(guān)節(jié)等運(yùn)動器官在運(yùn)動或靜止等相關(guān)狀態(tài)時出現(xiàn)的感覺，涉及位置、振動、運(yùn)動等感覺，本體感覺失調(diào)后將導(dǎo)致感覺共濟(jì)失調(diào)，從而引起平衡失調(diào)、步態(tài)異常。下肢康復(fù)機(jī)器人可以強(qiáng)化本體感覺刺激以促進(jìn)肢體產(chǎn)生主動運(yùn)動，促進(jìn)形成正確的感覺-運(yùn)動神經(jīng)通路，以增強(qiáng)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和下肢運(yùn)動協(xié)調(diào)性，幫助患者恢復(fù)步行移動功能。王大武等[15]證實機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練能顯著改善偏癱側(cè)膝關(guān)節(jié)本體感覺；研究者開發(fā)了一種由髖關(guān)節(jié)機(jī)器人與跑步機(jī)組成的平衡評估機(jī)器人，通過對中風(fēng)后病人進(jìn)行微動平衡訓(xùn)練，提高患者的步行能力，從而改善步態(tài)[16]。

2.4 皮膚觸覺觸覺作為刺激大腦神經(jīng)可塑性的一種可能方式正在日益普及[11]。對健康個體使用主動訓(xùn)練下肢機(jī)器人(active leg exoskeleton III, ALEX III)進(jìn)行觸覺抵抗運(yùn)動時引起的反應(yīng)表明，觸覺反饋可用于步態(tài)康復(fù)[17]。瑞士伯爾尼大學(xué)在Lokomat的步態(tài)訓(xùn)練期間發(fā)現(xiàn)，與基于視覺錯誤放大訓(xùn)練相比，觸覺反饋更能增加運(yùn)動學(xué)習(xí)能力，為提高腦卒中患者的步態(tài)訓(xùn)練效果提供有意義的框架[18]。目前，觸覺反饋也用于下肢機(jī)器人的步態(tài)訓(xùn)練中的姿勢控制。

3 肢體間的協(xié)調(diào)作用

人類行走過程中兩條腿會相互影響，通常，步行時一條腿擺動階段的開始要求對側(cè)腿同時處于站立狀態(tài)，顯然，步行需要協(xié)調(diào)雙腿之間的肌肉激活模式。大腦通過控制與運(yùn)動密切相關(guān)的協(xié)同肌肉群來維持肢體運(yùn)動的穩(wěn)定性[19]，這使得肌肉群之間產(chǎn)生了相互依賴的作用，即肌間耦合關(guān)系。肌間耦合現(xiàn)象是肌肉間的相互作用，反映了中樞神經(jīng)系統(tǒng)對肢體運(yùn)動過程中相關(guān)肌肉的協(xié)調(diào)能力和控制策略。王洪安等[20]通過肌電信號分析肌間耦合特征的變化來探索中樞神經(jīng)系統(tǒng)對肢體運(yùn)動的協(xié)調(diào)策略，有助于為下肢機(jī)器人在步態(tài)康復(fù)提供理論參考依據(jù)。馬紹興等[21]發(fā)現(xiàn)步態(tài)模式對髖膝踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動協(xié)調(diào)關(guān)系有顯著影響，下肢康復(fù)機(jī)器人可以借鑒相應(yīng)的運(yùn)動協(xié)調(diào)模式降低機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。美國亞利桑那州立大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)一種機(jī)器人輔助步態(tài)康復(fù)的新方法，發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)損傷后，腿間協(xié)調(diào)機(jī)制仍然存在，在偏癱患者的健側(cè)肢體引入單側(cè)擾動，從而引起患側(cè)的模仿性活動[22]。下肢機(jī)器人的目的是輔助行走，進(jìn)行步態(tài)康復(fù)，考慮到中風(fēng)后偏癱的情況，其中步態(tài)異常主要發(fā)生在身體的一側(cè)，步態(tài)功能更可能受到不對稱問題和四肢之間缺乏協(xié)調(diào)的影響。因此，在發(fā)展下肢康復(fù)機(jī)器人控制中需考慮肢體間運(yùn)動的協(xié)調(diào)作用，以改善步態(tài)方面，并確?；紓?cè)的輔助運(yùn)動和對側(cè)的非輔助運(yùn)動之間的連貫性。

4 用于腦卒中步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的下肢機(jī)器人的臨床相關(guān)研究

4.1 針對執(zhí)行器所在位置/關(guān)節(jié)不同設(shè)計的下肢外骨骼機(jī)器人由于臨床中的腦卒中患者多存在特殊的偏癱步態(tài)及足下垂現(xiàn)象，據(jù)此下肢機(jī)器人的執(zhí)行器安裝在不同的關(guān)節(jié)處，其康復(fù)效果也有所不同。用于助攻髖關(guān)節(jié)屈曲和延伸的設(shè)備Honda Stride Management Assist被驗證了比功能性步態(tài)培訓(xùn)更能改善步態(tài)速度、步長、行走耐力、平衡和皮質(zhì)運(yùn)動興奮性[23]。日本團(tuán)隊研發(fā)的一款可附加于傳統(tǒng)膝-踝-足矯形器的外骨骼，通過改善因膝關(guān)節(jié)運(yùn)動異常導(dǎo)致的非正常步態(tài)模式，使患者的膝關(guān)節(jié)角度和肌肉活性均得到了顯著改善，同時進(jìn)一步改善了患者的步態(tài)性能[24]。香港中文大學(xué)研究團(tuán)隊設(shè)計的一款足踝外骨骼，可以改善有腳下垂癥狀的慢性腦卒中患者的步態(tài)功能、運(yùn)動功能和步行速度[25]。

目前臨床中使用較多的下肢機(jī)器人如Lokomat、HAL、LOPES、ReWalk等都是多關(guān)節(jié)機(jī)器人。一般多關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備比單關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備更有效，因為它們在治療中涉及更多的肌肉，并且設(shè)備的自由度越多，由于慣性減小產(chǎn)生的扭矩越大，患者的效果就越好[5]。需注意的是活動關(guān)節(jié)數(shù)量的增加會導(dǎo)致外骨骼重量的增加。近年來，基于順應(yīng)性和舒適性的柔性下肢機(jī)器人系統(tǒng)已顯示出優(yōu)勢，其不僅更順應(yīng)人的自然形態(tài)和生物力學(xué)，可以實現(xiàn)尺寸和重量的減小，而且對步態(tài)康復(fù)同樣有意義。例如在卒中患者步行周期的特定階段增加關(guān)節(jié)角度和腳部間隙來改善步態(tài)和姿勢模式[26]。但也因為柔軟特性會阻止柔性下肢機(jī)器人為患有嚴(yán)重運(yùn)動障礙的人(例如非步行者)提供幫助。

4.2 針對不同臨床階段的腦卒中患者設(shè)計的下肢步態(tài)康復(fù)機(jī)器人臨床試驗中國腦卒中早期康復(fù)治療指南指出偏癱患者應(yīng)在病情穩(wěn)定后盡快離床，借助器械進(jìn)行站立、步行康復(fù)訓(xùn)練。具有懸吊減重系統(tǒng)的GTI機(jī)器人適用于腦卒中早期患者，研究表明GangTrainer能提高腦卒中急性期偏癱患者的步行能力及日常生活活動能力[8]。腦卒中后的前3個月是神經(jīng)重塑關(guān)鍵期，大部分下肢機(jī)器人的臨床試驗都針對亞急性期偏癱患者。例如，Aprile等[27]發(fā)現(xiàn)末端驅(qū)動型機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練可能改善亞急性中風(fēng)患者的臨床和步態(tài)結(jié)果；Wall等[7]對利用HAL機(jī)器人進(jìn)行腦卒中后步態(tài)康復(fù)的臨床測試的研究進(jìn)行歸納比較，根據(jù)移動功能類別比如10米步行測試、6分鐘步行測試等的比較發(fā)現(xiàn)利用HAL步態(tài)訓(xùn)練效果更好；但是Watanabe等[28]將HAL與常規(guī)步態(tài)治療進(jìn)行比較時，其在步行速度或步幅長度沒有顯著改善；Swinnen等[29]發(fā)現(xiàn)機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練雖然可以改善亞急性和慢性卒中患者的平衡功能，但改善與傳統(tǒng)物理治療相比沒有統(tǒng)計學(xué)意義；相關(guān)研究表明Lokomat和HAL等機(jī)器人或許不能替代傳統(tǒng)物理治療以提高腦卒中后患者的步態(tài)功能，但是可與傳統(tǒng)物理治療相結(jié)合，以輔助治療亞急性期腦卒中后患者的步態(tài)功能康復(fù)[30]。腦卒中患者進(jìn)入慢性期后，雖然神經(jīng)功能恢復(fù)減慢，但經(jīng)過適當(dāng)康復(fù)治療，患者的功能活動仍能得到改善。張旭等[31]利用步行機(jī)器人(Exowalk)對慢性腦卒中偏癱患者訓(xùn)練4周，結(jié)果表明Exowalk能持續(xù)改善慢性期腦卒中偏癱患者的平衡功能，提高患者步行能力。末端式機(jī)器人GEO System[32]被證明可提高慢性卒中患者的步態(tài)耐力，減少下肢痙攣。但一項單盲隨機(jī)對照實驗中慢性卒中患者經(jīng)過6周訓(xùn)練，實驗組10米步行測試、6分鐘步行與傳統(tǒng)訓(xùn)練的對照組無顯著性差異[33]。

目前臨床中應(yīng)用較多的是可穿戴下肢外骨骼，因為可以使用戶更加積極地參與到治療中，能提高患者生活質(zhì)量和降低抑郁率。當(dāng)前機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練的結(jié)果指標(biāo)主要集中在移動評估(即10米步行測試，6分鐘步行測試等)上，而不是集中在改善或避免繼發(fā)健康狀況(secondary health conditions，SHCs)上,例如呼吸系統(tǒng)和心血管并發(fā)癥、腸/膀胱功能障礙、肥胖、骨質(zhì)疏松和壓力性潰瘍等[34]；由于預(yù)防卒中后SHCs是主要目標(biāo)，因此評估下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)治療的研究應(yīng)更多地關(guān)注與SHCs相關(guān)的結(jié)局指標(biāo)。

5 結(jié)語

臨床中腦卒中后的步態(tài)康復(fù)涉及到神經(jīng)科學(xué)，而下肢康復(fù)機(jī)器人涉及到工程學(xué)、運(yùn)動力學(xué)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等，為了縮小臨床醫(yī)學(xué)與下肢機(jī)器人技術(shù)之間的差距，目前應(yīng)盡可能的尋找、激發(fā)和操縱利用大腦可塑性的神經(jīng)機(jī)制，而下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)最大程度地發(fā)揮這種神經(jīng)可塑性，從而為患者提供更佳的治療效果。相應(yīng)下肢機(jī)器人應(yīng)增加在腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病所致下肢運(yùn)動功能障礙患者中的大規(guī)模臨床試驗，通過精心設(shè)計的臨床研究證明外骨骼機(jī)器人在步態(tài)康復(fù)中的優(yōu)勢。