下肢康復機器人在早期腦卒中患者步態(tài)康復中的應用進展

張佩佩，CAO Ning，陳 真, ，榮積峰

1.上海市第一康復醫(yī)院康復治療中心，上海 200090

2.MossRehab Hospital, Pennsylvania 19027, USA

3.上海市第一康復醫(yī)院神經(jīng)康復中心，上海 200090

腦卒中是一種危害人類健康的高發(fā)疾病，我國腦卒中現(xiàn)患人數(shù)高居世界首位，已成為成年居民致死和致殘的首位病因［1］。腦卒中的發(fā)病率會隨著年齡的增加而上升，目前全球人口老齡化不斷加劇，預計2015年至2050年，全球65歲及以上人口比例將從9.1%上升至15.9%，這將導致腦卒中患者數(shù)量翻倍［2-3］。此外，腦卒中也是一種致殘率較高的疾病，盡管大部分腦卒中幸存者的受損神經(jīng)可以得到不同程度的修復，但仍有50%～60%的患者遺留不同程度的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能障礙［4］，如偏癱側肌肉力量減弱、本體感覺障礙、平衡控制較差、步態(tài)異常甚至無法行走等［5］，從而導致患者日常活動參與能力和生活自理能力降低，嚴重影響其生活質量。因此，幫助腦卒中幸存者盡早恢復獨立步行能力不僅是康復醫(yī)生和物理治療師對患者進行康復治療的主要目標［6］，而且有助于評估患者能否回歸家庭和社區(qū)生活?，F(xiàn)代腦卒中康復觀點傾向于重復性、任務導向的功能性訓練，而下肢康復機器人即可提供這樣的康復訓練模式。

1 下肢康復機器人概述

下肢康復機器人是一種自動化康復訓練設備，在臨床康復中的應用越來越廣泛。機器人康復裝置基于運動再學習原理［7］，讓患者進行重復、密集、任務導向的運動，以促進相應功能的康復。相較于傳統(tǒng)的在減重狀態(tài)下進行的步態(tài)訓練方法，下肢康復機器人一方面可以減輕康復治療師的工作負荷，并且可同時對多個患者進行步態(tài)訓練，另一方面可以幫助早期腦卒中患者進行精準、持續(xù)、系統(tǒng)的步態(tài)訓練。此外，下肢康復機器人還可以記錄患者步態(tài)康復進程的相關數(shù)據(jù)，以供康復治療師進行客觀評估和分析。

1.1 下肢康復機器人類型及功能下肢康復機器人屬于自動化輔助步行訓練設備，分為末端執(zhí)行器式（end-effector）和外骨骼式（exoskeleton）。末端執(zhí)行器式設備通過足踏板模擬步行中支撐和擺動時的運動軌跡帶動患者進行下肢步行訓練；外骨骼式設備可被穿戴，通過帶動及控制患者膝、髖關節(jié)進行步行訓練。

下肢康復機器人的功能依賴于其控制策略的實現(xiàn)，這是一個復雜的整合系統(tǒng)，其最終目的是為進行步態(tài)訓練的患者提供符合人體解剖學和人體工學原則的下肢運動路徑，以幫助患者更好地恢復行走功能［8］。下肢康復機器人控制策略的制訂必須遵循兩方面的原則：其一通過增加關節(jié)自由度為患者提供自然步態(tài)的運動軌跡［9］，其二通過優(yōu)化啟動系統(tǒng)來確保人-機交互的安全性［10-11］?？筛鶕?jù)患者的功能受損程度和康復進程為其制定康復策略［12-16］。

目前下肢康復機器人控制策略主要分為軌跡追蹤（trajectory tracking control，TTC）型和需求輔助（assist-as-needed，AAN）。其中，TTC型采取健康人的步態(tài)數(shù)據(jù)作為參考軌跡用于患者的康復中。因此，應用這種控制策略時會忽略患者的步態(tài)受損程度，并且其提供的運動軌跡僅為關節(jié)在矢狀面內的二維運動。ANN型應用于步態(tài)康復中僅約10年的時間，其設計理念為根據(jù)患者的步態(tài)受損程度來提供相應的步態(tài)訓練支持。隨著患者在步態(tài)康復進程中取得進步，ANN型的支持作用會相應下降［8］。隨著各種控制算法研究的不斷深入，比如力學控制算法、生物電信號控制算法、導納控制算法等，基于ANN策略的下肢康復機器人能更好地適應患者步態(tài)受損程度并進行調整，實現(xiàn)個性化的步態(tài)訓練。

1.2 下肢康復機器人的訓練模式下肢康復機器人對步態(tài)訓練的有效性主要依賴于其訓練模式［17］，能根據(jù)患者的步態(tài)康復進程提供不同的訓練模式。目前下肢康復機器人的訓練模式分為4種：被動訓練模式、主被動訓練模式、主動訓練模式、抗阻訓練模式［18］。這4種訓練模式依次進階，訓練強度和難度依次增加（表1）。

表1 下肢康復機器人主要訓練模式、適用條件及功能

有研究［19-20］認為，盡管下肢康復機器人對腦卒中患者的步態(tài)功能恢復有顯著的促進作用，但對于中重度步態(tài)功能受損者［中度步態(tài)功能受損：以自選步行速度（0.4～0.6 m/s）步行5 m以上；重度步態(tài)功能受損：以自選步行速度（0.1～0.4 m/s）步行5 m以上］，康復治療師引導下的地上步行訓練效果與下肢康復機器人相當，甚至更好。

由此可見，腦卒中患者對下肢康復機器人步態(tài)訓練模式的不同需求取決于其步態(tài)功能的受損程度，因此對腦卒中患者的步態(tài)受損程度進行精準評估有利于高效地使用下肢康復機器人步態(tài)訓練的高效進行。然而，腦卒中患者的臨床情況往往較復雜，如要更大限度地發(fā)揮下肢康復機器人的作用，就需要康復醫(yī)學、康復工程、生物醫(yī)學工程、材料學等多學科對人機交互系統(tǒng)的不斷研究以及生物信號采集技術的發(fā)展。

2 下肢康復機器人在腦卒中患者步態(tài)訓練中的作用

2.1 下肢康復機器人改善患者步行功能腦卒中患者的步態(tài)模式常具有不對稱性和不穩(wěn)定性［21-23］，并會出現(xiàn)不同的代償策略以彌補步態(tài)中的活動不足，這些都會增加腦卒中患者身體活動的能耗和跌倒風險［24］，從而影響其日?；顒訁⑴c能力。美國心臟協(xié)會腦卒中委員會（American Heart Association Stroke Council）認為，對腦卒中患者盡早介入強度集中、重復、任務導向的康復訓練可以促進其運動和步行功能的恢復［25-26］。

下肢康復機器人在步行功能康復訓練中具有主動與抗阻結合性、重復性、減重支持性、訓練對稱性、環(huán)境虛擬性，訓練方案個性化，能進行信息反饋的特點［27］，以及安全性好、不受發(fā)病時間限制、能客觀進行功能評價等優(yōu)點［18］。

下肢康復機器人不僅可以改善腦卒中患者的步行能力，而且對平衡控制和異常肌張力矯正有積極作用［28-29］。張熙斌等［28］的隨機對照研究表示，對病程短于3個月、初始肌張力≤3級的腦卒中患者進行為期4周（6 d/周，1次/d，30 min/次）的下肢機器人輔助被動或主被動步態(tài)訓練干預，干預后以改良Ashworth量表（modified Ashworth scale，MAS）評價患者的肌張力，顯示其肌張力從干預前的2/3級降低到1/1＋級。Cho等［29］的回顧研究顯示，對平均發(fā)病時間16.1～116.2 d、處在急性或亞急性期的腦卒中患者進行下肢康復機器人輔助步態(tài)訓練康復干預，采用被動/主被動交替訓練模式干預20～40 min/次，1～2次/d，平均5 d/周，平均干預4～8周后（10～16 h），6 min步行測試（6-minute walk test, 6MWT）步行時間、10 m步行測試（10-meter walk test, TWT）步行速度，以及直接測量所得的步行速度均較干預前提高，Berg平 衡 量 表（Berg balance scale，BBS）評分較干預前改善。但下肢機器人輔助步態(tài)訓練存在運動軌跡受限的不足，這使患者在步態(tài)訓練中必須沿著限定的運動軌跡在矢狀面內運動，而其水平面和冠狀面活動得不到訓練［30］，導致步態(tài)訓練中平衡功能的建立受限［31］及肌肉激活模式改變［16,32-33］。

總之，對發(fā)病早期、需要輔助才能進行移動的腦卒中患者借助下肢康復機器人進行步態(tài)功能康復，越來越成為臨床康復工作者的選擇。下肢康復機器人步態(tài)訓練對腦卒中急性期、亞急性期及慢性期無法獨立步行患者的步行功能（包括步行速度、步行距離），平衡功能，日常生活活動能力，生活質量等均有積極影響［34］。

2.2 下肢康復機器人對腦卒中患者步態(tài)相關平衡功能的影響平衡功能是影響腦卒中患者步態(tài)康復進程中的一個重要因素，也是評估腦卒中患者跌倒風險的關鍵指標。腦卒中患者的平衡功能既可以通過直接平衡訓練來重獲，也可以在步態(tài)訓練中恢復［31］。Rojek等［35］的隨機對照研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4周的外骨骼式下肢康復機器人步態(tài)訓練后，腦卒中患者人體壓力中心（center of pressure，COP）改變，平衡控制能力改善，主要表現(xiàn)為受試者在睜眼狀態(tài)下COP在矢狀面和額狀面的偏移量顯著增加。

下肢康復機器人可以通過控制腦卒中患者的下肢活動軌跡來改善其對稱性和協(xié)調性［29］。多項研究［31,36-37］表明，下肢康復機器人能改善亞急性期腦卒中患者步態(tài)相關平衡功能。劉惠林等［38］對40例腦卒中急性期患者進行的隨機對照試驗顯示，采用下肢康復機器人結合傳統(tǒng)康復治療方法干預10周（每天20 min）后，患者下肢運動功能（Fugl-Meyer assessment，F(xiàn)MA）評分、功能性轉移分級（functional ambulation category，F(xiàn)AC）和BBS評分均升高，表明患者下肢運動功能和平衡功能均改善。Bang等［39］的隨機對照研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中慢性期患者經(jīng)過4周的下肢康復機器人步態(tài)訓練后，BBS升高，優(yōu)于傳統(tǒng)步態(tài)訓練。但Hidler等［19］的多中心隨機對照研究顯示，傳統(tǒng)步態(tài)訓練組訓練后BBS評分高于下肢康復機器人步態(tài)訓練組。2項研究結果的差異可能由傳統(tǒng)訓練方案不同所致，Bang等［39］的研究中傳統(tǒng)訓練組采用無減重支持下的跑臺訓練，而Hidler等研究中傳統(tǒng)訓練組訓練方案由康復治療師定制化。此外，Cho等［40］的交叉研究（干預8周）和Jeong等［31］的隨機對照研究（干預4周）顯示，下肢康復機器人步態(tài)訓練與傳統(tǒng)方法均可改善偏癱患者的平衡功能，且這2種方法的改善效果差異無統(tǒng)計學意義。但Cho等［40］的研究還顯示，下肢康復機器人步態(tài)訓練改善四肢癱患者平衡功能的效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

由此可見，下肢康復機器人和傳統(tǒng)的步態(tài)訓練都可以改善腦卒中患者的平衡功能，但是哪種更有優(yōu)勢尚無定論。此外，多數(shù)研究對于下肢康復機器人干預前后患者平衡功能變化缺少更客觀和量化的評估指標，而?；贐BS評估所得。盡管BBS對平衡功能評估具有較高的信效度，但其測量受眾有局限。而且，腦卒中患者功能狀態(tài)異質性較大，其神經(jīng)系統(tǒng)損傷部位、損傷后搶救時間、康復介入時機以及康復訓練的強度和密度等，都會影響其功能的恢復。下肢康復機器人步態(tài)訓練改善平衡功能的效果尚須進一步研究。

2.3 下肢康復機器人對腦卒中患者步態(tài)參數(shù)的影響目前有約85%的腦卒中偏癱患者的首要康復目標是恢復步行能力［41］。下肢康復機器人對腦卒中患者步態(tài)功能的影響主要體現(xiàn)于步速、步長和單支撐期占步態(tài)周期的百分比。下肢康復機器人可為腦卒中患者提供持續(xù)的、強度集中且平穩(wěn)的康復訓練，尤其是對于神經(jīng)系統(tǒng)受損較嚴重的急性期患者，康復介入早期開始步態(tài)訓練對改善其康復預后有重要意義［42-43］。

下肢機器人步態(tài)訓練改善腦卒中患者步行能力的作用尤其體現(xiàn)于步行速度方面［44-45］。Hesse等［46］對30例亞急性期腦卒中患者進行的交叉研究顯示，下肢康復機器人步態(tài)訓練較減重支持下的跑臺訓練能更顯著提高患者的步行速度。Bang等［39］發(fā)現(xiàn)，腦卒中亞急性期患者經(jīng)過為期4周的下肢康復機器人步態(tài)訓練后，步速、步頻和步長均較采用傳統(tǒng)訓練方法的患者增加。趙雅寧等［47］發(fā)現(xiàn)，10周的下肢機器人步態(tài)訓練除了使患者步長、步頻、步速改善外，還使病灶側動脈血流加快，說明下肢機器人步態(tài)訓練不僅可以改善患者的步行功能，還有助于其腦功能的恢復。

此外，下肢康復機器人步態(tài)訓練還有助于促進腦卒中患者步行中受累側下肢肌肉激活時序趨于正常，從而提高步態(tài)模式的對稱性［32,35］。下肢康復機器人步態(tài)訓練對腦卒中亞急性期、無轉移能力以及功能受損傷較嚴重患者的步態(tài)參數(shù)改善更佳［29］。但是下肢康復機器人對于中重度步態(tài)功能損傷患者的干預效果是否優(yōu)于傳統(tǒng)步態(tài)訓練方法仍存在諸多爭議：一方面下肢康復機器人的外固定裝置將患者的骨盆束縛于冠狀面上，邁步動作僅作用于雙下肢，限制了正常步態(tài)中骨盆旋轉及雙下肢間重心轉移［30］，這種運動模式不僅可能改變中重度步態(tài)受損患者步行中的下肢肌肉激活模式，而且會影響步行過程中單支撐的穩(wěn)定性［48-49］和誘發(fā)擺動相擺動腿的異常加速模式［50］；另一方面下肢康復機器人引導式步態(tài)訓練模式一定程度上會影響患者下肢肌肉的隨意收縮能力［51］。

綜上所述，下肢康復機器人步態(tài)訓練能夠有效促進腦卒中急性期、亞急性期和部分慢性期患者步行功能的恢復。下肢康復機器人可以為腦卒中患者提供持續(xù)的康復訓練，同時減輕物理治療師的負擔。但是，下肢康復機器人步態(tài)訓練是否優(yōu)于其他的步態(tài)訓練方法及訓練干預時機仍有待進一研究。目前，下肢康復機器人不能取代康復治療師，只是康復治療師的康復工具，在臨床步態(tài)康復中應根據(jù)患者具體情況，與其他康復技術相結合，為腦卒中患者提供更有效的康復治療。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。