下肢機(jī)器人輔助腦卒中患者下肢運(yùn)動功能康復(fù)的研究進(jìn)展

侯世威 陳慧華 蘇鄭明

1廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院教學(xué)科，廣州 510700；2廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院泌尿外科，廣州 510700；3廣東高校生物靶向診治與康復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510700

機(jī)器人在康復(fù)治療領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)90年代。隨著神經(jīng)病學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，腦卒中病死率逐漸下降，但是隨之而來的殘損、殘疾、殘障等問題日益突出，嚴(yán)重影響患者日常生活能力及社會參與能力［1］。因此腦卒中后的功能康復(fù)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其在腦卒中患者出現(xiàn)的各種運(yùn)動功能障礙中以下肢運(yùn)動功能障礙最為突出，具體表現(xiàn)為步態(tài)不對稱、重心轉(zhuǎn)移差、下肢各關(guān)節(jié)活動受限等［2］。隨著康復(fù)工程學(xué)的快速發(fā)展，新型下肢機(jī)器人的發(fā)明與改進(jìn)可以更好地輔助治療師進(jìn)行常規(guī)手法治療，減少治療師的體力勞動以緩和治療師不足的矛盾。同時對于患者，新型下肢機(jī)器人可以提供更優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)，加速患者功能障礙的恢復(fù)，為患者及家庭減輕負(fù)擔(dān)。本文從3個不同角度對機(jī)器人輔助康復(fù)進(jìn)行綜述：下肢機(jī)器人與人之間的互動類型，下肢機(jī)器人輔助治療的實(shí)現(xiàn)以及曾經(jīng)使用過的機(jī)器人設(shè)備所針對的感覺運(yùn)動路徑。

下肢機(jī)器人的介紹

下肢機(jī)器人主要分為兩類，一種是以穿戴型的外骨骼為基本構(gòu)造，另一種是以充當(dāng)人體效應(yīng)器的仿生腿為基本構(gòu)造［3］。本文主要針對下肢尚存的腦卒中患者展開討論，并以穿戴型外骨骼為基本樣態(tài)的下肢機(jī)器人作為核心論點(diǎn)。因?yàn)檫\(yùn)動是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌肉系統(tǒng)之間復(fù)雜綜合的相互作用結(jié)果，所以對患者下肢最有效的康復(fù)方法之一就是利用步態(tài)分析，以結(jié)構(gòu)化方式重構(gòu)并強(qiáng)化下肢的感覺機(jī)制［4］。下肢機(jī)器人和機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計目的是通過特定的重復(fù)運(yùn)動協(xié)調(diào)練習(xí)和神經(jīng)重塑原理來喚起肌肉的激活、協(xié)同作用和神經(jīng)可塑性［5-6］。由于腦組織不能像損傷前那樣簡單地修復(fù)，為了恢復(fù)行走等身體能力，大腦必須沿著完整的、活躍的神經(jīng)通路連接，同時盡可能激活不常使用的神經(jīng)通路進(jìn)行代償［7］。外國科學(xué)家早期研究是以步態(tài)模式為核心，建構(gòu)關(guān)節(jié)在三維空間活動的模型［8-9］，同時強(qiáng)調(diào)個性化方案和重復(fù)任務(wù)驅(qū)動型訓(xùn)練，盡可能增強(qiáng)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，保證康復(fù)治療的效率。下肢機(jī)器人可通過醫(yī)師的反復(fù)測試重點(diǎn)參數(shù)和對運(yùn)動數(shù)據(jù)的反饋，可釋放微電刺激并輔以彈簧裝置，增強(qiáng)下肢的興奮性，從而調(diào)控關(guān)節(jié)活動度［10］。現(xiàn)有的下肢機(jī)器人通常是與醫(yī)院現(xiàn)有的跑步機(jī)相結(jié)合，治療師利用跑步機(jī)上的測量數(shù)據(jù)進(jìn)一步制定個性化的運(yùn)動處方，例如接入肺功能測量設(shè)備測量患者呼吸頻率等數(shù)據(jù)。在跑步機(jī)上可設(shè)置三維腳架，通過吊繩減輕患者的負(fù)重，患者能夠自身承受剩余體質(zhì)量，充分發(fā)揮下肢殘余功能進(jìn)行代償。伴隨患者肌力的恢復(fù)，其逐漸過渡到完全抗自身重力及部分抗阻［11］。下肢機(jī)器人可聯(lián)合虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備為患者提供視覺反饋，刺激本體感覺，最終實(shí)現(xiàn)加速神經(jīng)功能重塑的目的。綜上所述，下肢機(jī)器人在治療流程中發(fā)揮著傳感器、矯形器、減負(fù)器及重復(fù)工作機(jī)的作用。

下肢機(jī)器人輔助治療流程

在康復(fù)治療的流程中，治療師通過下肢機(jī)器人的自動化運(yùn)行確定康復(fù)階段，有利于開展或者暫緩新一輪的較高強(qiáng)度的重復(fù)訓(xùn)練。在下肢機(jī)器人與患者的交互層面上，治療師從中獲得大量的物理參數(shù)，在治療流程中可以明確實(shí)現(xiàn)下肢機(jī)器人的治療作用［12］。同時在一種治療流程中，下肢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多種交互類型使之完成多個子目標(biāo)。

1.減重

下肢機(jī)器人與跑步機(jī)組合可實(shí)現(xiàn)體質(zhì)量支持的作用。傳統(tǒng)康復(fù)形式是地面支持系統(tǒng)，治療通過治療師的攙扶進(jìn)行，按照肢體近端到遠(yuǎn)端的順序增強(qiáng)患者肌力，實(shí)現(xiàn)患者從站立到行走的巨大改變。因此當(dāng)腦卒中患者肌肉嚴(yán)重萎縮，不能獨(dú)立支撐自己的體質(zhì)量時，患者的平衡能力也會受到極大影響。下肢機(jī)器人-跑步機(jī)組合可以通過滑輪減輕不同程度的負(fù)重，最大限度減少患者的平衡失調(diào)，可以盡最大限度使患者在跑步機(jī)上進(jìn)行獨(dú)立訓(xùn)練，減少治療師的工作量［13］。同時該組合可以增強(qiáng)患者的肌力，最終讓患者完全控制自己的身體姿勢［14］。下肢機(jī)器人也可以獨(dú)立工作，通過在房間內(nèi)鋪設(shè)軌道和滑輪裝置，患者可以訓(xùn)練運(yùn)動神經(jīng)通路，讓自己獨(dú)立進(jìn)行體位轉(zhuǎn)移，治療師只需在一旁監(jiān)督并提供一定程度的保護(hù)即可。

2.腳板跑步機(jī)

早期的下肢康復(fù)治療較多采用腳部和腿部附著物進(jìn)行物理治療和運(yùn)動研究。這種方法主要用于腦卒中早期患者臥床不起或坐輪椅。在物理治療師的輔助下，患者使用這些附著物進(jìn)行高強(qiáng)度訓(xùn)練可以改善步態(tài)，同時這些附著物也可以應(yīng)用于阻力訓(xùn)練［15］。其中最重要的附著物是腳板，它們通常被驅(qū)動來將腳移動到另一個軌道上。通過控制腳板與腳的相互作用，腳板具有能夠模擬不同行走表面的優(yōu)勢，例如樓梯、斜坡和不平坦的表面。一些特殊腳板存有固定平臺的模式，允許患者坐立或站立，并且可以輔助他們保持平衡。固定平臺的腳板可以為患者減重，幫助無法支撐體質(zhì)量的患者進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練。

3.關(guān)節(jié)活動矯正

在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域中，受到最多關(guān)注的下肢機(jī)器人類別是外骨骼和動力矯形器。許多康復(fù)治療的方式都是通過外骨骼或動力矯形器，它們附著在受試者的腿上，并直接在一個或多個關(guān)節(jié)上產(chǎn)生致動扭矩［16］。通過電機(jī)和相應(yīng)控制器，外骨骼和動力矯形器可以提供精確的關(guān)節(jié)扭矩。根據(jù)運(yùn)動處方的目標(biāo)，這些機(jī)器組合可以和跑步機(jī)一起使用，在不同方面改善運(yùn)動功能恢復(fù)的結(jié)果。一些外骨骼專注于脊髓損傷的患者，并具有機(jī)械設(shè)計和控制屬性，也可以應(yīng)用到腦卒中康復(fù)。下肢機(jī)器人在治療的過程可以充當(dāng)傳感器，治療師可以在行走的身體內(nèi)部測量數(shù)據(jù)或者建立信息端的接口，例如腦電圖（EEG）信號或表面肌電圖（EMG）信號［17-18］。這些測量數(shù)據(jù)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息為康復(fù)機(jī)器人提供操作的參數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)與治療相適應(yīng)的力量訓(xùn)練和運(yùn)動時機(jī)。EMG信號已經(jīng)可以運(yùn)用于腿部和足部操作系統(tǒng)的康復(fù)軌道［19］。這種方法提供了非功能性電刺激（FES）輔助步態(tài)，但是這種關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息的處理面臨著信號多變性、分類算法的穩(wěn)定性和需量化的性能反饋指標(biāo)的挑戰(zhàn)。EMG和EEG分析的最新進(jìn)展導(dǎo)致了這種控制方法在康復(fù)機(jī)器人中的廣泛應(yīng)用。但是這些挑戰(zhàn)仍然需要解決，才能使這些方法成為康復(fù)的可行部分，特別是在外骨骼和矯形器的應(yīng)用中。從機(jī)器人與人的附著性考慮，通過順應(yīng)人體形態(tài)和生物力學(xué)機(jī)制，機(jī)器人可以更好地傳送數(shù)據(jù)和矯正關(guān)節(jié)活動［20］。另一個方面，我們可以利用軟機(jī)器人技術(shù)。這種技術(shù)從剛性連接重新設(shè)計為使用電纜布線，可以實(shí)現(xiàn)尺寸和重量的減少［21］。與傳統(tǒng)的剛性外骨骼設(shè)計相比，這些基于順應(yīng)性和舒適性的系統(tǒng)顯示出相當(dāng)大的優(yōu)勢，并顯示出具有類似益處的能力。例如一種與穿戴者的癱瘓肢體功能同步的低輔助軟外衣可以立即增加癱瘓踝關(guān)節(jié)的擺動相背屈，并增加癱瘓肢體的向前推進(jìn)力。

4.任務(wù)驅(qū)動

大部分外骨骼裝置會利用跑步機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，以保持某些變量的一致性，例如平均步行速度。這種方法可以提高治療室的跑步機(jī)利用率，使維護(hù)機(jī)器人的費(fèi)用降低。然而，跑步機(jī)訓(xùn)練可以在不使用任何直接附件或機(jī)器人設(shè)備的情況下使用，而僅僅在身體上佩戴數(shù)個簡易傳感器，在跑步機(jī)周圍放置動作捕捉攝像系統(tǒng)或其他數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)進(jìn)行本地實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)即可［22-23］。而使用分體式跑步機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練時，可以研究行走時的短期運(yùn)動適應(yīng)。在分體式跑步機(jī)的兩側(cè)設(shè)置為不同的速度或相反的方向，可以誘導(dǎo)患者的運(yùn)動適應(yīng)能力。同時治療師經(jīng)過患者同意后可以主動實(shí)時改變跑步機(jī)的速度，提高患者兩腿的協(xié)調(diào)能力［24］。爬樓梯是最容易實(shí)施的治療方式，其是一種經(jīng)過測試的強(qiáng)化訓(xùn)練方法，以目標(biāo)導(dǎo)向或任務(wù)導(dǎo)向療法與視覺反饋相結(jié)合，避開障礙物來增強(qiáng)患者平衡協(xié)調(diào)能力。在爬樓梯的過程中，患者還可以提高肌力。腳板也同樣以目標(biāo)導(dǎo)向或任務(wù)導(dǎo)向，設(shè)定兩種速度進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練，同樣可以提高患者的運(yùn)動適應(yīng)能力。

5.電刺激

電刺激可以取代下肢機(jī)器人系統(tǒng)來與受試者交互，所以FES被提出直接由外骨骼在肌肉上施與電刺激，可以誘導(dǎo)肌肉收縮甚至預(yù)防足下垂。FES有較大概率會改善仍對自身有較高控制水平的腦卒中患者的健康和力量。此外，當(dāng)它與跑步機(jī)一起使用時，已經(jīng)被證明產(chǎn)生了積極的結(jié)果。經(jīng)顱磁刺激（TMS）通過大腦皮層附近的感應(yīng)磁場使皮層神經(jīng)膜去極化，并使神經(jīng)元群放電，可以用于改善神經(jīng)中樞位于皮層的反射［25］。TMS和其他經(jīng)顱刺激在患者腦卒中后長期步態(tài)康復(fù)中的效果有限，但它們?nèi)匀豢梢蕴峁┬碌目赡苄詠硌芯考顾璺瓷錂C(jī)制和大腦皮質(zhì)激活，這可能為步態(tài)康復(fù)提供有用的見解。

機(jī)器人設(shè)備所針對的感覺運(yùn)動路徑

腦卒中的康復(fù)極度依賴大腦通過神經(jīng)重塑性恢復(fù)的突觸結(jié)構(gòu)［23］。當(dāng)腦細(xì)胞因腦卒中造成的損害而再生、重新建立和重新安排神經(jīng)沖動時，就會發(fā)生神經(jīng)重塑性［26］。在運(yùn)動康復(fù)方面，運(yùn)用感覺運(yùn)動機(jī)制的物理療法會激發(fā)神經(jīng)重塑性，刺激大腦糾正感覺和身體的缺陷，即尋找、喚起和利用神經(jīng)重塑原理的神經(jīng)機(jī)制［4，27］。

1.視覺

傳統(tǒng)的視覺反饋方法通常是基于視頻或3D游戲?qū)崿F(xiàn)的。通過顯示屏上的目標(biāo)判定，患者積極調(diào)動實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的肌肉群來改善運(yùn)動功能［28］。現(xiàn)在，VR被認(rèn)為是一種更吸引人、更有效的刺激視覺運(yùn)動通路和誘導(dǎo)神經(jīng)重塑性的方法［29］。這是一種快速發(fā)展的實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的方式，最常見的方式是戴上VR眼鏡，用虛擬環(huán)境覆蓋對象的整個視覺空間。有了VR，只需要一個互動式手柄和眼鏡就可以與任何物理環(huán)境互動，甚至可以在遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練中實(shí)施。其中，展現(xiàn)腦卒中患者在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)和運(yùn)動的可能性［30］。VR通常是對已經(jīng)使用的康復(fù)技術(shù)的補(bǔ)充，它提供了一個需要真實(shí)世界設(shè)置的環(huán)境，增加了材料設(shè)置的復(fù)雜性。如果需要與虛擬現(xiàn)實(shí)不同的真實(shí)世界環(huán)境，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將動畫對象放置到真實(shí)世界環(huán)境中。在用戶看來，這具有更逼真的優(yōu)點(diǎn)，并消除了VR環(huán)境引起的迷失方向問題。由于這項(xiàng)技術(shù)相對較新和成本較高，與其他物理實(shí)現(xiàn)和交互目標(biāo)相結(jié)合的康復(fù)技術(shù)仍有待開發(fā)。

2.聽覺

聽覺等補(bǔ)充反饋可以補(bǔ)充或取代可穿戴系統(tǒng)的視覺，也用于社交輔助機(jī)器人。這些機(jī)器人可以使用語音提示來促進(jìn)運(yùn)動或提供鼓勵和勸阻行為，當(dāng)與機(jī)器人手勢相結(jié)合時，語音是與現(xiàn)實(shí)世界互動的重要組成部分。聽覺反饋的另一個應(yīng)用是有節(jié)奏的聽覺提示，這是一種使步態(tài)與節(jié)奏同步的方法，以改善步態(tài)測量。有適度的證據(jù)表明，腦卒中患者在使用有節(jié)奏的聽覺提示進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練后，速度與步長都有所改善。

3.本體感覺

腦卒中患者在訓(xùn)練中的平衡感是至關(guān)重要的［31］。平衡感是一種重要的行走機(jī)制，它使用視覺和聽覺反饋以及本體感覺［32］。本體感覺是在步態(tài)階段期間和步態(tài)之間的轉(zhuǎn)換中，通過調(diào)節(jié)肌肉激活幅度，使身體部位相對于身體其他部位具有已知位置的感覺［33-35］。下肢機(jī)器人可通過提供本體感覺觸覺反饋來減少平衡異常，建立個性化的姿勢訓(xùn)練系統(tǒng)［36］。同樣，視覺、聽覺和本體感覺反饋的相互作用也可以通過VR系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練。

結(jié) 語

本文基于康復(fù)工程學(xué)的發(fā)展，綜述下肢機(jī)器人在康復(fù)流程中的應(yīng)用［26］。下肢機(jī)器人是集智能反饋系統(tǒng)與減重步態(tài)訓(xùn)練于一體的裝置［37］。在減重狀態(tài)下，下肢機(jī)器人可為患者減輕一定身體負(fù)重，使患者能獨(dú)立完成運(yùn)動訓(xùn)練，增強(qiáng)肌力，促進(jìn)肢體殘余功能的發(fā)揮。同時機(jī)器人還可用預(yù)設(shè)的步態(tài)，增強(qiáng)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)能力，改善患者步態(tài)［38-40］。下肢機(jī)器人可聯(lián)合跑步機(jī)實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的治療方案，例如采用分體式跑步機(jī)來增強(qiáng)患者運(yùn)動適應(yīng)能力［41］。在感覺通路，下肢機(jī)器人聯(lián)合VR技術(shù)，增強(qiáng)患者的視覺反饋，刺激本體感覺，最終加速神經(jīng)系統(tǒng)重組。但是下肢機(jī)器人也存在較多不足之處。當(dāng)采用懸吊法時，機(jī)器人綁定患者的流程過于復(fù)雜，時間成本過高［42］。減重系統(tǒng)完全基于患者自身能力，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，單純依賴治療師的主觀判斷去測試，數(shù)據(jù)過于離散。下肢機(jī)器人對比已經(jīng)存有的跑步機(jī)成本較高，在普通小區(qū)難以普及，在社區(qū)實(shí)現(xiàn)康復(fù)的進(jìn)展比較緩慢。同時在采用的數(shù)據(jù)中，大部分缺少對患者的長期隨訪觀察［43］，在未來需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的采集和分析。