智能技術(shù)在卒中康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

康曉宇，劉麗旭

卒中后患者多存在運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知、言語(yǔ)及吞咽功能障礙，患者的日常生活活動(dòng)能力（activities of daily living，ADL）需要大量幫助，給家庭及社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)[1]。常規(guī)的康復(fù)治療可促進(jìn)卒中患者的功能恢復(fù)，但存在治療師勞動(dòng)強(qiáng)度大、治療效率低、患者依從性低等諸多問題。面對(duì)卒中患者巨大的康復(fù)需求，應(yīng)采取更有效的治療手段[2]。近年來(lái)，隨著智能技術(shù)、特別是人工智能（artificial intelligence，AI）的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）、腦機(jī)接口（braincomputer interface，BCI）及康復(fù)機(jī)器人等技術(shù)已逐漸被應(yīng)用于卒中康復(fù)領(lǐng)域。本文分別對(duì)上述智能技術(shù)的概念、特點(diǎn)及其在卒中運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知及言語(yǔ)康復(fù)方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 智能康復(fù)技術(shù)

智能技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、精密傳感技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來(lái)的。AI是在邏輯學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、決策理論、神經(jīng)科學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、控制理論和計(jì)算機(jī)工程等多種學(xué)科相互融合的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是一門能模擬人類智能行為及規(guī)律的交叉學(xué)科[3-4]。面對(duì)患者日益增長(zhǎng)的康復(fù)需求，現(xiàn)有的治療手段有限且效率不高。因此，以VR、BCI和康復(fù)機(jī)器人為主的智能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，逐漸應(yīng)用于卒中康復(fù)領(lǐng)域并取得了良好的康復(fù)效果。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) VR起源于20世紀(jì)50年代，興起于20世紀(jì)90年代，是一種以計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)環(huán)境生成虛擬場(chǎng)景，用戶通過接收視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)、平衡和嗅覺等反饋與虛擬環(huán)境交互的技術(shù)。VR具有沉浸、交互、想象的特點(diǎn)，激勵(lì)患者積極參與訓(xùn)練，通過反饋來(lái)促進(jìn)患者的神經(jīng)功能重塑[5]。VR可增加卒中亞急性期患者病灶對(duì)側(cè)初級(jí)感覺運(yùn)動(dòng)皮層的偏側(cè)化指數(shù)，誘導(dǎo)與運(yùn)動(dòng)恢復(fù)有關(guān)的皮質(zhì)重組[6]。目前VR作為卒中后常規(guī)康復(fù)的補(bǔ)充手段以及出院患者的后續(xù)治療手段，可以更好地為患者提供長(zhǎng)期、持續(xù)的自我訓(xùn)練及家庭康復(fù)治療。

1.2 腦機(jī)接口技術(shù) BCI形成于20世紀(jì)70年代，近年逐步興起。BCI可將大腦活動(dòng)的電、磁或代謝性信號(hào)轉(zhuǎn)換為可直接控制外部設(shè)備的控制信號(hào)，從而替代、增強(qiáng)或補(bǔ)充神經(jīng)功能的輸出，實(shí)現(xiàn)大腦與外部或內(nèi)部環(huán)境之間的交互[7-8]。BCI通過外部設(shè)備（如機(jī)器人或肌肉電刺激）幫助肢體被動(dòng)或主動(dòng)運(yùn)動(dòng)以代償喪失的運(yùn)動(dòng)功能，并刺激受損的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，改善卒中慢性期患者大腦的可塑性，促進(jìn)自主運(yùn)動(dòng)控制的再學(xué)習(xí)[9]。BCI可促進(jìn)卒中后與功能恢復(fù)相關(guān)的大腦皮質(zhì)重組，增強(qiáng)顳葉、額葉、枕葉、頂葉多個(gè)腦區(qū)間功能的連接，增強(qiáng)軀體的感覺、視覺、空間處理和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的腦功能網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，從而促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)[10-11]。

BCI被分為侵入式與非侵入式2類?；谀X電圖和腦磁圖的非侵入性BCI雖然具有無(wú)創(chuàng)、安全、便捷等優(yōu)點(diǎn)，但由于頭皮、顱骨以及背景噪聲等因素的影響，采集的信號(hào)不穩(wěn)定且質(zhì)量欠佳。侵入式BCI需要將電極植入腦內(nèi)，屬于微創(chuàng)手術(shù)，植入式電極可記錄皮層腦電圖和皮質(zhì)內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)，大大改善了BCI監(jiān)測(cè)腦信號(hào)的質(zhì)量，使患者實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的控制，做出更復(fù)雜和具有功能性的動(dòng)作，因此BCI的研發(fā)在未來(lái)具有很好的前景[12]。

1.3 康復(fù)機(jī)器人 康復(fù)機(jī)器人起源于20世紀(jì)80年代，是指可自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的人造機(jī)器裝置，用以取代或協(xié)助人體的某些功能，可產(chǎn)生多種力量和動(dòng)作，幫助功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[13]?？祻?fù)機(jī)器人的核心特點(diǎn)為人機(jī)交互，即通過特定任務(wù)、鏡像（他人運(yùn)動(dòng)視頻）和VR（如有趣的游戲）誘導(dǎo)患者產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)意圖，以腦電或肌電信號(hào)的形式給患者提供運(yùn)動(dòng)效果的實(shí)時(shí)反饋，通過計(jì)算機(jī)的獎(jiǎng)勵(lì)程序強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)反饋回路，激發(fā)下一個(gè)動(dòng)作的動(dòng)機(jī)，形成封閉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元通路[14]?？祻?fù)機(jī)器人可使卒中后病灶同側(cè)大腦半球初級(jí)感覺運(yùn)動(dòng)皮層、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和運(yùn)動(dòng)前皮層的激活顯著增加，促進(jìn)病灶對(duì)側(cè)大腦半球運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)的皮質(zhì)重組，重新平衡大腦半球之間的連接，改善半球間抑制，促進(jìn)神經(jīng)的可塑性[15]。

康復(fù)機(jī)器人可分為上肢機(jī)器人、手部機(jī)器人和下肢機(jī)器人。早期上肢康復(fù)機(jī)器人為末端驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人，其輔助治療方法為以一個(gè)點(diǎn)附著于患者關(guān)節(jié)且受限于模擬單一關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。此后，上肢外骨骼機(jī)器人可由患者佩戴，允許更大活動(dòng)范圍的運(yùn)動(dòng)，并能集中于特定的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[16]。在下肢康復(fù)機(jī)器人中，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)研究多局限于Lokomat機(jī)器人等固定減重平板步行訓(xùn)練機(jī)器人，訓(xùn)練過程中可能誘發(fā)患者的代償運(yùn)動(dòng)，且工作模式單一枯燥，患者容易失去興趣。外骨骼機(jī)器人通過傳感器、肌電信號(hào)等設(shè)備監(jiān)測(cè)肢體運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)調(diào)節(jié)輔助的強(qiáng)度及方向。目前ReWalk[17]、HAL[18]、Exowalk[19]、Ekso[20]、BEAR-H1[21]等下肢外骨骼機(jī)器人已在國(guó)外進(jìn)行初步研究及應(yīng)用，這些機(jī)器人可改善卒中患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能、平衡及步行能力。下肢外骨骼機(jī)器人的特點(diǎn)是便攜、可移動(dòng)，適用于日常生活活動(dòng)，可在真實(shí)路面行走以提供豐富環(huán)境與視覺刺激，有利于卒中患者功能的恢復(fù)及自信心的提升。但其穩(wěn)定性相對(duì)于固定機(jī)器人較弱，且使用中存在一定跌倒風(fēng)險(xiǎn)，需要患者具備一定的運(yùn)動(dòng)及平衡能力，因此難以在卒中急性期開展，臨床應(yīng)用受限。一項(xiàng)meta分析顯示，目前下肢外骨骼機(jī)器人的治療時(shí)間及頻率不統(tǒng)一，研究證據(jù)仍不充分[22]。此外，目前康復(fù)機(jī)器人仍達(dá)不到足夠的智能水平，未來(lái)仍需開展進(jìn)一步的研發(fā)。

2 智能康復(fù)新技術(shù)對(duì)卒中患者運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知及言語(yǔ)功能的影響

2.1 運(yùn)動(dòng)功能 VR、BCI及康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的單獨(dú)或聯(lián)合應(yīng)用可改善卒中患者的上、下肢運(yùn)動(dòng)功能，其中應(yīng)用康復(fù)機(jī)器人的研究較多。

2.1.1 上肢康復(fù) 一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)分別對(duì)120例卒中亞急性期患者進(jìn)行上肢VR訓(xùn)練與常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果顯示VR訓(xùn)練與常規(guī)康復(fù)同樣有效，但并不優(yōu)于后者，VR可作為常規(guī)康復(fù)的補(bǔ)充，是一種激勵(lì)性的訓(xùn)練[23]。Laver等[24]的meta分析亦支持上述結(jié)果。有研究者對(duì)卒中慢性期患者進(jìn)行BCI治療，6個(gè)月隨訪發(fā)現(xiàn)BCI可改善患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能、肌張力及肌電活動(dòng)[10]。研究提示，BCI可改善卒中慢性期患者長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)功能。

機(jī)器人輔助訓(xùn)練可促進(jìn)卒中亞急性期患者的手部運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)，有研究者建議將其應(yīng)用于卒中后的早期干預(yù)[25]。一項(xiàng)針對(duì)247例卒中亞急性期患者的多中心隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)表明上肢康復(fù)機(jī)器人可顯著改善患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能和參與能力，并且其改善程度與常規(guī)康復(fù)療法相似[26]。另一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)也證明與常規(guī)上肢治療相比，機(jī)器人輔助訓(xùn)練對(duì)卒中后上肢功能的改善無(wú)額外獲益[27]。鑒于高昂的治療成本，未來(lái)的研究應(yīng)探索上肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于卒中患者的價(jià)值和效益。

BCI結(jié)合外骨骼機(jī)器人的研究提示聯(lián)合治療可改善卒中慢性期患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能，這一系統(tǒng)治療可應(yīng)用于家庭環(huán)境中[28]。一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)表明外骨骼機(jī)器人聯(lián)合基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI干預(yù)可改善不同發(fā)病時(shí)間、不同嚴(yán)重程度和損傷部位卒中患者的手部運(yùn)動(dòng)功能[29]。上肢康復(fù)機(jī)器人輔助VR訓(xùn)練和常規(guī)康復(fù)治療均可改善卒中慢性期偏癱患者上肢的運(yùn)動(dòng)功能和ADL，前者療效更優(yōu)且對(duì)ADL有遠(yuǎn)期療效[30]。一例卒中慢性期患者接受了為期3周，共10次的BCI聯(lián)合VR訓(xùn)練并于1個(gè)月后隨訪發(fā)現(xiàn)患者Fugl-Meyer量表的上肢評(píng)分有明顯改善且功能MRI顯示大腦激活程度增加，表明BCI結(jié)合VR訓(xùn)練可促進(jìn)卒中患者大腦運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)可塑性[31]。通過集成外部反饋如觸覺反饋（如振動(dòng)觸覺）、功能性電刺激或機(jī)器人輔助等功能開發(fā)的VR-BCI混合系統(tǒng)允許患者在虛擬環(huán)境中運(yùn)用思維控制運(yùn)動(dòng)，可能對(duì)卒中患者的上肢功能恢復(fù)更有效[32]。

綜上所述，VR、BCI及康復(fù)機(jī)器人等智能技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可改善卒中患者的上肢功能，且效果優(yōu)于單獨(dú)應(yīng)用，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)卒中康復(fù)治療的更優(yōu)選擇。

2.1.2 下肢康復(fù) 有研究顯示VR結(jié)合常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練可以改善卒中慢性期患者的平衡功能、步行能力及ADL，效果均優(yōu)于常規(guī)康復(fù)治療[33]。下肢康復(fù)機(jī)器人輔助步行訓(xùn)練可有效提高卒中慢性期患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能與步行能力[34]。但也有研究表明，機(jī)器人輔助步行訓(xùn)練對(duì)卒中亞急性期患者運(yùn)動(dòng)能力的改善并不優(yōu)于常規(guī)步態(tài)訓(xùn)練[35]。由于機(jī)器輔助訓(xùn)練對(duì)下肢功能改善程度的不確定性，加之其設(shè)備費(fèi)用較高，因此，機(jī)器人輔助療法應(yīng)用于卒中下肢康復(fù)中的成本效益有待進(jìn)一步考量。此外，有研究證明VR聯(lián)合下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練能改善卒中慢性期患者的步行能力及平衡功能，提示這可能是一種有前途的卒中康復(fù)聯(lián)合治療方法[36]。

2.2 認(rèn)知及言語(yǔ)功能 VR可改善卒中患者的社會(huì)參與能力及記憶功能，在整體認(rèn)知、注意力和執(zhí)行功能方面亦有顯著改善效果[37]。常規(guī)康復(fù)方法、單獨(dú)機(jī)器人治療及VR聯(lián)合機(jī)器人治療均可改善卒中患者的整體認(rèn)知、執(zhí)行功能及情緒，并能提高患者的ADL，且VR聯(lián)合機(jī)器人治療還可以改善患者的選擇性注意、視空間能力及生活質(zhì)量[38]，提示聯(lián)合治療對(duì)卒中患者認(rèn)知恢復(fù)效果可能更佳。BCI拼寫交流系統(tǒng)可激活卒中患者的語(yǔ)言回路，改善患者的神經(jīng)可塑性，促進(jìn)言語(yǔ)功能的恢復(fù)，使卒中失語(yǔ)患者進(jìn)行簡(jiǎn)單的任務(wù)交流成為可能[39]。不過目前智能技術(shù)改善卒中患者認(rèn)知及言語(yǔ)功能的研究證據(jù)仍不充足，有待未來(lái)進(jìn)一步探索。

3 智能技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)

與常規(guī)康復(fù)相比，智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)較多。VR和機(jī)器人輔助治療可有效增加患者參與康復(fù)訓(xùn)練的頻率和動(dòng)機(jī)；機(jī)器人輔助治療使訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)劑量變得可控，也為制訂和調(diào)整康復(fù)計(jì)劃提供了客觀依據(jù)，減輕了康復(fù)治療師的負(fù)擔(dān)。BCI不依賴骨骼肌肉系統(tǒng)，可為意識(shí)正常但神經(jīng)系統(tǒng)受損的患者提供與外界交流的途徑。因此，與傳統(tǒng)康復(fù)治療相比，智能技術(shù)高效、便捷、個(gè)體化、趣味的特點(diǎn)能幫助卒中患者實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能性運(yùn)動(dòng)，且與不同智能技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用療效更佳。

目前智能技術(shù)仍存在不足。VR可能存在動(dòng)作反饋延遲、患者感到頭暈和高度緊張等技術(shù)缺陷，未來(lái)有待進(jìn)一步優(yōu)化[8]。BCI信號(hào)加工的穩(wěn)定、長(zhǎng)期記錄會(huì)影響腦電信號(hào)的采集質(zhì)量和應(yīng)用；BCI-VR系統(tǒng)中，BCI為VR提供的控制指令不夠穩(wěn)定、有效、直觀和靈活；使用視覺反饋的BCI雖然可以短期改善卒中患者的上肢功能，但患者可能會(huì)產(chǎn)生精神疲勞[40]；康復(fù)機(jī)器人可能會(huì)誘發(fā)患者的代償運(yùn)動(dòng)，且工作模式單一枯燥，降低患者康復(fù)治療的積極性；外骨骼機(jī)器人可能存在跌倒風(fēng)險(xiǎn)，在卒中康復(fù)中的應(yīng)用仍很有限；此外，智能技術(shù)還存在設(shè)備昂貴，治療成本高等問題，目前難以推廣至社區(qū)或家庭康復(fù)中應(yīng)用。

4 總結(jié)與展望

智能康復(fù)新技術(shù)可改善卒中患者的運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知及語(yǔ)言功能，但目前高質(zhì)量的研究證據(jù)不多，這可能與研究缺乏隨機(jī)分組和盲法、樣本量不足、病程和病情嚴(yán)重程度不同、治療方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)不一致、未進(jìn)行長(zhǎng)期隨訪等因素有關(guān)。因此，未來(lái)研究應(yīng)更嚴(yán)格地控制研究對(duì)象的納入標(biāo)準(zhǔn)，積極探索智能新技術(shù)的最佳干預(yù)時(shí)機(jī)及明確的治療方案，開展大樣本、多中心、設(shè)計(jì)合理、有長(zhǎng)期隨訪的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)。隨著傳感器、材料、3D打印技術(shù)、AI算法等技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)大力研發(fā)更加安全、高效的康復(fù)新設(shè)備，促進(jìn)遠(yuǎn)程康復(fù)與家庭康復(fù)的發(fā)展。此外，未來(lái)的研究應(yīng)關(guān)注不同智能技術(shù)之間的聯(lián)合治療或與其他康復(fù)手段的聯(lián)合治療（如運(yùn)動(dòng)想象、鏡像療法、重復(fù)經(jīng)顱磁刺激、功能性電刺激等）以產(chǎn)生更好的康復(fù)效果，從而促進(jìn)智能新技術(shù)在卒中康復(fù)中的推廣及應(yīng)用。

【點(diǎn)睛】本文闡述了智能康復(fù)新技術(shù)對(duì)卒中患者的運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知及語(yǔ)言功能的影響。未來(lái)應(yīng)促進(jìn)不同智能技術(shù)聯(lián)合治療在卒中康復(fù)中的推廣及應(yīng)用。