康復(fù)機(jī)器人在腦性癱瘓兒童肢體康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

蘇予潔，裴菊紅，鐘娟平，謝琪，南銳伶，王興蕾，2b，豆欣蔓，2b

（1.蘭州大學(xué) 護(hù)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730011；2. 蘭州大學(xué)第二醫(yī)院a.重癥醫(yī)學(xué)科；b.護(hù)理部，甘肅 蘭州 730030）

腦癱患兒常由于疾病的原因所出現(xiàn)的非特征性身體姿態(tài)和不規(guī)則步態(tài)使他們在運動控制方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。例如：出現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)和發(fā)力方面的損害、步態(tài)障礙、四肢僵硬，以及不自覺地重復(fù)地移動肢體可能使他們難以行走或站立， 嚴(yán)重影響患兒的日常生活以及活動[1-2]。 近年來，國外多項研究顯示：康復(fù)機(jī)器人協(xié)助腦癱患兒進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練不僅可改善患兒的自主控制能力， 并且可有效提高功能性任務(wù)的表現(xiàn)和步行耐力[1，3]。 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)作為一種新興康復(fù)方式， 相較于傳統(tǒng)的康復(fù)方式有著獨特的優(yōu)勢，因此已成為國內(nèi)康復(fù)治療的研究熱點。筆者綜述機(jī)器人在腦癱患兒康復(fù)中的應(yīng)用， 并進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)與分類， 以期為國內(nèi)開展以機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)的臨床康復(fù)治療與護(hù)理提供信息支持。

1 康復(fù)機(jī)器人的概述與分類

康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究起步于20 世紀(jì)80 年代左右，因其具有安全性、參與性、可重復(fù)性、步態(tài)一致性和節(jié)約人力等優(yōu)勢， 被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)護(hù)理的各個領(lǐng)域的治療研究中[4-5]。 除了康復(fù)治療領(lǐng)域的應(yīng)用外，機(jī)器人技術(shù)還可應(yīng)用于精神心理治療領(lǐng)域，如老年照護(hù)、自閉癥照護(hù)以及社交場景等[6]，并且均在多個方面展現(xiàn)出其獨有的優(yōu)勢。目前，機(jī)器人技術(shù)工具（robotic technological tool, RTT）主要以2 種形式應(yīng)用于上下肢的康復(fù)治療， 分別是外骨骼類型的RTT（exoskeletal-type，RTT） 和末端效應(yīng)器類型的RTT（end-effector-type， RTT）[7]。

1.1 外骨骼類型機(jī)器人技術(shù)工具 外骨骼類型的RTT 混合了機(jī)械和電子部件系統(tǒng)， 構(gòu)成了一個機(jī)電一體化裝置，不僅可以穿在身上，還可執(zhí)行患者所需要練習(xí)的各種類型的運動以及動力活動。此外，外骨骼RTT 可完全覆蓋肢體， 無論是上肢還是下肢，都遵循并復(fù)制人體所測量出的數(shù)據(jù)特征，完整的運用至康復(fù)訓(xùn)練的每一環(huán)節(jié)[7-9]， 代表性機(jī)器人有walkbot、Lokomat 和ReWalkTM[10]。

1.2 末端效應(yīng)器類型機(jī)器人技術(shù)工具 末端效應(yīng)器類型的RTT 是將末端執(zhí)行器與末端肢體相連接，通過末端帶動近端運動[11]，以此激活肢體原本地運動學(xué)形式， 減少不自然地約束。 末端效應(yīng)器類型的RTT 也可應(yīng)用于上下肢的康復(fù)[12-13]， 代表機(jī)器人有Gait Trainer、InMontion2 等。 當(dāng)末端效應(yīng)器類型的RTT 與特定的軟件、 虛擬現(xiàn)實技術(shù) （virtual reality,VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（augmented reality, AR），以及在保護(hù)下的沉浸式虛擬環(huán)境中康復(fù)為洞穴自動虛擬環(huán)境（cave automatic virtual environment, CAVE）相結(jié)合時，可發(fā)揮出更大的康復(fù)優(yōu)勢[7]。

2 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在腦癱患兒上下肢康復(fù)中的應(yīng)用及效果

目前，腦癱患兒肢體康復(fù)治療機(jī)器人技術(shù)可分為上肢康復(fù)機(jī)器人和下肢康復(fù)機(jī)器人。 常用的上肢康復(fù)機(jī)器人包括手臂機(jī)器人InMotion2、VR 技術(shù)結(jié)合康復(fù)機(jī)器人；下肢康復(fù)機(jī)器人包括Lokmat 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人、德國步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人Gait Trainer GT I。

2.1 上肢康復(fù)機(jī)器人在腦癱患兒上肢康復(fù)中的應(yīng)用 上肢功能障礙（upper extremity dysfunction, UE dysfunction）以緩慢和生硬的伸手，無法抓握和操作物體為特征，是腦癱患兒常見的臨床癥狀之一。根據(jù)其嚴(yán)重程度， 可對患兒的日常生活造成不同程度的負(fù)面影響，并增加家庭照顧者的負(fù)擔(dān)[14]。 國外學(xué)者Beckung 等[15]調(diào)查顯示，176 例5～8 歲各種類型的腦癱患兒中，由于存在四肢癱瘓、肌張力低等運動障礙問題，63%的患兒在教育環(huán)境中的參與受到限制，57%的患兒社會活動中的參與受到限制； 我國學(xué)者陳蓉等[16]通過對148 例腦癱患兒家庭照顧者的照顧負(fù)擔(dān)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查， 發(fā)現(xiàn)腦癱患兒家庭照顧者照顧負(fù)擔(dān)得分為（42.05±12.36）分，處于重度水平。 因此，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展， 將康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于腦癱患兒上肢功能障礙有助于提高患兒的運動表現(xiàn)，促進(jìn)患兒肢體康復(fù)，以下介紹2 種機(jī)器人的應(yīng)用。

2.1.1 手臂機(jī)器人InMotion2 InMotion2 (interactive motion technologies inc, watertown, ma,USA) 是MIT-MANUS 手臂機(jī)器人的商業(yè)版本， 可以協(xié)助肩部和肘部的平面指向性運動， 應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的康復(fù)[17]。 InMontion2 手臂機(jī)器人為末端效應(yīng)器RTT 的一種， 患者可從機(jī)器人機(jī)身的電子屏幕獲得康復(fù)訓(xùn)練游戲的畫面， 遙控機(jī)器人手臂末端的一個手動操控桿操，以此進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。由于InMontion2手臂機(jī)器人會根據(jù)患者情況設(shè)置合適的康復(fù)訓(xùn)練目標(biāo)以及易接受的聲控系統(tǒng)， 因此易于兒童患者的操作和學(xué)習(xí)。 美國Fasoli 等[17]綜述了兒科康復(fù)治療領(lǐng)域中的新熱點，其中指出，最早采用機(jī)器人輔助康復(fù)治療技術(shù)的研究就是將InMotion2 手臂機(jī)器人應(yīng)用到了上肢的康復(fù)訓(xùn)練中。 在1 項研究中[18]，22 例5～12歲腦癱患兒通過使用InMotion2 進(jìn)行康復(fù)游戲訓(xùn)練，每周2 次，持續(xù)8 周。在每次訓(xùn)練中，患兒使用麻痹手臂進(jìn)行640 次重復(fù)的、 以目標(biāo)為導(dǎo)向的平面伸展運動， 并根據(jù)需要使用InMotion2 機(jī)器人進(jìn)行輔助練習(xí)。 結(jié)果顯示， 患兒在治療過程中變得更加投入，運動表現(xiàn)與能力有了明顯的變化，不僅增強(qiáng)了肌肉力量，并且擴(kuò)大了上肢的運動范圍。另1 項針對康復(fù)機(jī)器人技術(shù)用于腦癱患兒上肢功能療效的系統(tǒng)評價結(jié)果顯示， 采用InMotion2 手臂機(jī)器人訓(xùn)練6～8周后的患兒，肌張力下降和運動學(xué)變量（包括速度增加、持續(xù)時間減少、平滑度提高）均得到得到了改善，F(xiàn)ugl-Meyer 評定量表（FMA），上肢技能質(zhì)量評定量表（quality of upper extremity skills test, QUEST），墨爾本單側(cè)上肢功能評估量表， 伸手表現(xiàn)量表以及家長問卷的臨床評估結(jié)局也得到了明顯改善[19]。 盡管目前InMotion2 手臂機(jī)器人應(yīng)用于腦癱患兒的研究較少，但已有研究顯示，采用InMotion2 手臂機(jī)器人訓(xùn)練相比傳統(tǒng)的被動運動康復(fù)訓(xùn)練， 不僅提高了患兒進(jìn)行主動運動的積極性，且康復(fù)效果肯定。

2.1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合康復(fù)機(jī)器人 虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱為VR 技術(shù)，于20 世紀(jì)60 年代提出，是由計算機(jī)模擬生成的一種虛擬世界環(huán)境， 用戶可以通過視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感知功能與生成的虛擬世界產(chǎn)生人機(jī)交互[20]。 患兒使用VR 技術(shù)可以提高訓(xùn)練的積極性和自我效能感， 使他們能夠參與適合其年齡的游戲，并產(chǎn)生更多的康復(fù)訓(xùn)練欲望[21]。 然而，對于腦癱患兒來說， 單獨使用VR 技術(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練需要一個較高的運動水平， 這可以通過連接合適的機(jī)器人系統(tǒng)來實現(xiàn)。

觸覺主機(jī)器人（haptic master）是由荷蘭Moog 公司研發(fā)的與環(huán)形萬向節(jié)相結(jié)合，一個6 自由度的導(dǎo)納控制（力控制的一種）機(jī)器人，其目前已被廣泛地應(yīng)用在成人腦卒中患者的康復(fù)研究[22]。 Qui 等[22]于2009年將VR 游戲與觸覺主機(jī)器人相結(jié)合， 創(chuàng)建了一個VR 游戲，患兒只需佩戴VR 眼鏡并將患側(cè)的手放入到觸覺主機(jī)器人的觸控點， 結(jié)合VR 眼鏡中看到的游戲并重復(fù)的進(jìn)行手部運動， 以此來完成上肢康復(fù)訓(xùn)練的效果，該模式被稱為NJIT-RAVR 系統(tǒng)。 學(xué)者們從兒科康復(fù)機(jī)構(gòu)的門診中心招募了2 例患有繼發(fā)于腦癱的痙攣性偏癱的兒童，1 例10 歲男孩和1 例7 歲女孩?；純和ㄟ^使用NJIT-RAVR 系統(tǒng)訓(xùn)練1 h，每周3 d，持續(xù)3 周，根據(jù)患兒治療目標(biāo)、耐受性和偏好進(jìn)行4～5 次不同組合形式的模擬， 并通過不斷修改游戲以增加難度，以此來提高患兒的康復(fù)能力。研究結(jié)果顯示， 在觸覺主機(jī)器人和VR 游戲相結(jié)合的情況下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練， 患兒表現(xiàn)出更大的活動能力，上肢的運動范圍也有很大的改善。 此外，接受訓(xùn)練的患兒均表示無暈機(jī)的現(xiàn)象， 這可能是因為VR游戲提高了患兒對康復(fù)訓(xùn)練的興趣和參與度， 以此激勵患兒參與更多的訓(xùn)練。 另一項研究結(jié)果[23]顯示，VR 技術(shù)結(jié)合觸覺主機(jī)器人創(chuàng)造出的3 D 虛擬環(huán)境可提高腦癱患兒的上肢運動能力， 尤其是在主動肩部外展和屈曲以及前臂上舉方面表現(xiàn)出了明顯的臨床改善，并且無任何不良反應(yīng)。隨后，Qui 等[24]團(tuán)隊又對NJIT-RAVR 系統(tǒng)再次進(jìn)行了臨床驗證研究，9 例腦癱患兒在3 周內(nèi)使用NJIT-RAVR 系統(tǒng)進(jìn)行5 種不同組合的上肢模擬訓(xùn)練大約9～12 h。 結(jié)果顯示，腦癱患兒上肢功能的各評估結(jié)果以及運動學(xué)效果均得到了明顯改善。

雖然VR 游戲與觸覺主機(jī)器人相結(jié)合的康復(fù)訓(xùn)練形式對腦癱患兒的上肢康復(fù)有效， 但該模式主要用于成人康復(fù)訓(xùn)練， 在腦癱患兒的上肢康復(fù)中的應(yīng)用尚缺乏高質(zhì)量、大樣本的研究。

2.2 下肢康復(fù)機(jī)器人在腦癱患兒下肢康復(fù)中的應(yīng)用 腦癱患兒下肢障礙可出現(xiàn)無力和運動控制能力差，導(dǎo)致患兒出現(xiàn)行走不便，因此，改善患兒的下肢行走能力十分重要。相比傳統(tǒng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練，如治療師指導(dǎo)進(jìn)行的減重步態(tài)訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練，以及使用矯形器治療訓(xùn)練等[4]，使用康復(fù)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行下肢訓(xùn)練，可以進(jìn)行有指導(dǎo)的、特定任務(wù)的行走訓(xùn)練，勞動強(qiáng)度更低且針對性更強(qiáng)。 機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練（robotic-assisted gait training, RAGT）是目前腦癱患兒下肢康復(fù)訓(xùn)練的主要方式，包括Lokmat 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和德國步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人Gait Trainer (GT I)。但大多數(shù)應(yīng)用于腦癱患兒下肢康復(fù)訓(xùn)練的還是以Lokomat 為主。

2.2.1 Lokomat 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 1999 年, 瑞士Hocoma AG 公司推出了一種減重式外骨骼機(jī)器人為Lokomat，由一對步態(tài)矯形器、跑步機(jī)和懸吊減重系統(tǒng)組成， 其可以驅(qū)動自主帶動人體下肢在跑步機(jī)上進(jìn)行減重步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練， 提供一定的負(fù)重并改善患兒步態(tài)[25-26]。 德國學(xué)者Borggraefe 等[27]對Lokomat體重支持結(jié)合跑步機(jī)用于20 例雙側(cè)痙攣性的腦癱患兒下肢功能康復(fù)的效果進(jìn)行了評估。 患兒共接受了為期3 周的機(jī)器人輔助跑步機(jī)訓(xùn)練，每周4 次，每次約15 min。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用Lokomat 體質(zhì)量支持結(jié)合跑步機(jī)訓(xùn)練明顯改善了患兒的步態(tài)模式、 行走速度和耐力。 Wallard 等[1]將30 例6～8 歲腦癱患兒分為試驗組和對照組，試驗組使用Lokomat 兒童版（適用于4 歲以上） 輔助步態(tài)訓(xùn)練進(jìn)行為期4 周康復(fù)治療， 對照組也接受為期4 周的常規(guī)肢體或?qū)I(yè)的康復(fù)治療。研究結(jié)果顯示，對照組使用Lokomat 輔助步態(tài)訓(xùn)練顯著增強(qiáng)了下肢行走和站立的能力， 并且患兒下肢關(guān)節(jié)的平衡和運動范圍得到了改善。 我國學(xué)者鄭宏超等[28]將70 例4～8 歲腦癱患兒隨機(jī)分為試驗組和常規(guī)組，2 組均持續(xù)干預(yù)3 個月，每日1 次，1次30 min， 研究Lokomat 配合運動療法對腦癱患兒步行能力的影響。 結(jié)果顯示，與只接受運動療法的35 例常規(guī)組患兒相比，接受Lokomat 配合運動療法的35 例試驗組患兒的踝關(guān)節(jié)主動關(guān)節(jié)活動度（AROM）及Berg 平衡量表（BBS）評分均高于常規(guī)組， 說明對腦癱患兒Lokomat 配合運動療法訓(xùn)練可改善和增強(qiáng)其步行與平衡能力。 然而，在Druzbicki等[29]1 項臨床隨機(jī)對照試驗中，52 例6～13 歲腦癱患兒被隨機(jī)分為2 組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用Lokomat 康復(fù)訓(xùn)練的試驗組和只接受理療師傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的對照組腦癱患兒下肢步態(tài)參數(shù)上無統(tǒng)計學(xué)顯著變化。隨后，另一項研究結(jié)果也表明， 采用Lokomat 輔助步態(tài)訓(xùn)練和傳統(tǒng)康復(fù)治療對于腦癱患兒下肢行走能力的康復(fù)治療效果幾乎一致[5]。 這可能與研究樣本量不同，治療次數(shù)、治療時間等存在差異有關(guān)。

盡管目前的研究對Lokomat 輔助步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的研究結(jié)果存在非一致性， 但其對于腦癱患兒的康復(fù)應(yīng)用效果是可以肯定的。因此，仍需要更多的臨床試驗明確其有效性。

2.2.2 德國步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人Gait Trainer GT I Gait Trainer GT I 是由德國的一家柏林康復(fù)設(shè)備公司Rehastim 生產(chǎn)的康復(fù)機(jī)器人， 其采用腳踏板與患者的雙足交互的形式，主要強(qiáng)調(diào)重復(fù)連續(xù)的被動運動，屬于較早期應(yīng)用于的下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)備[26]。 在一項隨機(jī)對照試驗中[30]，18 例患有截癱或四肢癱瘓的患兒被隨機(jī)分為2 組，試驗組接受了30 min 的重復(fù)性運動訓(xùn)練， 包括Gait Trainer GT I 以及10min 的被動關(guān)節(jié)活動和伸展運動；對照組接受40 min 的常規(guī)物理治療，2 組患兒均在2 周的時間內(nèi)總共接受10 次治療。 研究采用10 m 步行測試、6 min 步行測試、兒童功能獨立性評定量表（WeeFIM）和步態(tài)分析的表現(xiàn)對患兒治療前后以及1 個月隨訪時的情況進(jìn)行評估， 以此測試使用Gait Trainer GT I 進(jìn)行的重復(fù)性運動訓(xùn)練是否能顯著提高行走速度和耐力。 研究結(jié)果顯示，使用步態(tài)訓(xùn)練器GT I 進(jìn)行機(jī)器人輔助運動訓(xùn)練的兒童，在髖關(guān)節(jié)角度、步態(tài)速度和步長的運動學(xué)測量方面有明顯的改善。Lefmann 等[31]發(fā)表的一篇針對兒童步態(tài)障礙機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練效果的系統(tǒng)評價中指出，使用Lokomat 或者Gait Trainer GT I 機(jī)器人步態(tài)輔助訓(xùn)練有益于改善腦癱患兒的步態(tài)，其中包括速度、站立能力和步行距離。 由于Gait Trainer GT I 的步態(tài)訓(xùn)練策略主要強(qiáng)調(diào)重復(fù)連續(xù)的被動運動，導(dǎo)致患者主動運動的參與度較低[26]，因此Gait Trainer GT I 在腦癱患兒的臨床康復(fù)治療上相較于Lokomat 的應(yīng)用較少，相對應(yīng)的研究也少。

總之， 目前Gait Trainer GT I 一般與Lokomat 相結(jié)合應(yīng)用于腦癱患兒的康復(fù)治療，或者是單獨應(yīng)用于成人腦卒中后患者的康復(fù)治療[32-33]，但Gait Trainer GT I 在腦癱患兒下肢康復(fù)治療中的效果仍需進(jìn)一步的改良應(yīng)用與研究。

3 展望

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明， 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)能有效改善腦癱患兒的四肢運動能力， 還能提高患兒的主動參與度， 為患兒的后續(xù)治療與護(hù)理帶來多種臨床益處。相較于傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練模式，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)具備以下優(yōu)點：（1） 縮短治療周期、提高康復(fù)效率。 由于康復(fù)機(jī)器人同步性和針對性的治療特點， 可提高患兒的康復(fù)治療效率， 從而促進(jìn)康復(fù)。 （2）提供娛樂化的康復(fù)模式，增加患兒主動參與的積極性。與以往傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練相比，通過游戲結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練的模式，不僅可激勵患兒達(dá)到康復(fù)目標(biāo)，并且可減輕患兒內(nèi)心對于康復(fù)訓(xùn)練的擔(dān)心與恐懼。（3）康復(fù)機(jī)器人的安全性良好，不良事件及不良反應(yīng)少[34]。根據(jù)現(xiàn)有的研究表明，康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行輔助康復(fù)治療對于腦癱患兒的使用感受較好， 少有不良反應(yīng)及不良事件的發(fā)生。

總體而言， 目前康復(fù)機(jī)器人技術(shù)用于腦癱患兒康復(fù)治療的研究仍存在一些不足之處， 未來還需從以下3 方面改進(jìn)：（1）制定針對性的康復(fù)方案，根據(jù)患兒自身情況，對康復(fù)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并深入研究康復(fù)機(jī)器人技術(shù)聯(lián)合其他康復(fù)措施治療腦癱患兒的最佳康復(fù)方案。（2）重視患兒使用設(shè)備時皮膚護(hù)理的問題，康復(fù)機(jī)器人由于設(shè)備體積龐大，存在不便于患兒穿脫，或由于患兒皮膚嬌嫩、摩擦導(dǎo)致接觸面擦傷和過敏等問題[5，35]。 （3）增加研究對象的樣本量，明確患兒最佳康復(fù)時間、頻率以及強(qiáng)度，了解其作用機(jī)制[11]，最大程度確定其真實的康復(fù)效果。

綜上所述， 為了更好地指導(dǎo)未來基于康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的康復(fù)治療與應(yīng)用， 需要我國學(xué)者進(jìn)一步深入研究， 在符合國情以及文化背景的情況下開展以及研發(fā)適合本國腦癱患兒的新型康復(fù)訓(xùn)練模式，推動我國在腦癱患兒康復(fù)研究領(lǐng)域的進(jìn)展， 并帶動人工智能學(xué)科、機(jī)器人學(xué)科、臨床醫(yī)學(xué)與護(hù)理學(xué)科等多學(xué)科的交叉融合發(fā)展， 使更多腦癱患兒及家庭照護(hù)者受益于高科技時代下的新興科學(xué)技術(shù)。