劉華衛(wèi)，王惠芳，朱錦杰，姚加佳，孫奕，沈浩峰，張曉佳

步行功能障礙是腦卒中患者面臨的主要問(wèn)題之一。自20世紀(jì)90年代起，步行訓(xùn)練機(jī)器人在腦卒中患者康復(fù)中逐漸應(yīng)用并不斷擴(kuò)大和深入，機(jī)器人的設(shè)計(jì)和功能也隨著腦卒中康復(fù)理念和工程學(xué)方面的發(fā)展而不斷變化[1]。目前腦卒中康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人是在減重步行訓(xùn)練裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械動(dòng)作輔助引導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的[2]，多為下肢外骨骼腿部驅(qū)動(dòng)機(jī)器人或踏板足部驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，結(jié)合減重系統(tǒng)和訓(xùn)練跑臺(tái)的一體化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，較常用的有瑞士的Lokomat，德國(guó)的Gait Trainer，美國(guó)的Autoambulator、Lokohelp等[3]。這些步行康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中包含了許多當(dāng)今腦卒中的康復(fù)理念。

1 步行康復(fù)機(jī)器人的特點(diǎn)及其所體現(xiàn)的現(xiàn)代腦卒中康復(fù)理念

1.1 以步行訓(xùn)練為任務(wù)導(dǎo)向

1.1.1 特點(diǎn) 以步行為任務(wù)導(dǎo)向，任務(wù)目標(biāo)明確且功能化。

1.1.2 理念 體現(xiàn)了以功能性任務(wù)為導(dǎo)向的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)理念。順應(yīng)性或可塑性是神經(jīng)系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，需要通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練才能達(dá)到神經(jīng)可塑性改變；而學(xué)習(xí)和訓(xùn)練必須與具體任務(wù)相結(jié)合，才能充分調(diào)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)，產(chǎn)生可塑性改變[4-5]。步行訓(xùn)練正是一種與功能獨(dú)立密切相關(guān)的、明確的導(dǎo)向性任務(wù)。

1.2 減重狀態(tài)下的步行訓(xùn)練

1.2.1 特點(diǎn) 減重裝置可以為患者提供安全保護(hù)，同時(shí)減少下肢負(fù)重，為患者早期步行訓(xùn)練創(chuàng)造條件。

1.2.2 理念 安全保障對(duì)患者心理狀態(tài)有支持作用，進(jìn)而對(duì)于全身肌張力有調(diào)節(jié)作用。①減重裝置在患者失去重心控制時(shí)可提供充分保護(hù)，這種安全性對(duì)患者心理有極大的支持；而不當(dāng)?shù)男睦砭駹顟B(tài)是異常肌張力的誘發(fā)因素之一[6]；②減重適應(yīng)了患者的實(shí)際下肢肌力及控制能力，降低了任務(wù)難度，使患者以更高的質(zhì)量完成步行動(dòng)作，一定程度上減少了由于任務(wù)難度不當(dāng)而引起的誤用模式[6]；③減重為早期步行創(chuàng)造了條件，而在患者臨床狀況穩(wěn)定的前提下，早期減重步行訓(xùn)練介入較傳統(tǒng)步行康復(fù)訓(xùn)練可更快恢復(fù)步行能力[7]；④腦卒中患者運(yùn)動(dòng)恢復(fù)規(guī)律在一定程度上與小兒運(yùn)動(dòng)發(fā)育順序相似，但并不是小兒發(fā)育順序的再現(xiàn)[8]，這是人為創(chuàng)造條件進(jìn)行早期步行訓(xùn)練的依據(jù)之一。

1.3 機(jī)械裝置輔助下肢運(yùn)動(dòng)的步行訓(xùn)練

1.3.1 特點(diǎn) 通過(guò)機(jī)械裝置對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助，以提供模擬正常步態(tài)的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)，并可以進(jìn)行被動(dòng)步行、助力步行等不同的步行訓(xùn)練。

1.3.2 理念 引導(dǎo)下的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練符合認(rèn)知障礙患者的運(yùn)動(dòng)治療原理及現(xiàn)代認(rèn)知康復(fù)原理。對(duì)于認(rèn)知障礙或步行失用患者，言語(yǔ)解釋甚至動(dòng)作示范都難以奏效，需要手把手地引導(dǎo)患者完成任務(wù)動(dòng)作，并且不斷反復(fù)，直至患者能夠配合訓(xùn)練[9]。對(duì)于這類患者，步行機(jī)器人訓(xùn)練類似人工助力引導(dǎo)下的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，能給予患者各類感覺輸入，為患者提供正確的運(yùn)動(dòng)順序及動(dòng)作引導(dǎo)，最終達(dá)到正確的步行運(yùn)動(dòng)。

模擬正常步態(tài)的引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)提供了穩(wěn)定的模式化步行訓(xùn)練，體現(xiàn)了中樞模式發(fā)生器(CPG)及大腦運(yùn)動(dòng)程序理念。單純的步行其實(shí)是一種模式化節(jié)律運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)代研究已證明，單純的模式化運(yùn)動(dòng)受到脊髓內(nèi)CPG的控制以及大腦的高級(jí)調(diào)控，并可通過(guò)反復(fù)模式化訓(xùn)練達(dá)到康復(fù)效果[10]。

機(jī)器人輔助步行是一種站立位下的被動(dòng)步行運(yùn)動(dòng)，它模擬正常步態(tài)的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)，可以最大程度地提供步行時(shí)的感知覺輸入，有利于腦部形成運(yùn)動(dòng)記憶軌跡。

訓(xùn)練難度依次上升，并強(qiáng)調(diào)最終的主動(dòng)參與，不提倡長(zhǎng)期的純粹感知覺體驗(yàn)?，F(xiàn)在認(rèn)為，感知覺輸入對(duì)于運(yùn)動(dòng)輸出有一定意義，但不是運(yùn)動(dòng)輸出的決定性因素[8]。

強(qiáng)調(diào)以步行功能訓(xùn)練為導(dǎo)向的主動(dòng)參與。由于有模擬正常步態(tài)的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)，對(duì)于異常步態(tài)有一定糾正作用。助力步行時(shí)，若能主動(dòng)順應(yīng)機(jī)械引導(dǎo)完成步行動(dòng)作，并注意運(yùn)動(dòng)控制強(qiáng)度符合自己當(dāng)時(shí)的實(shí)際水平，則能最大程度地避免異常運(yùn)動(dòng)，得到最佳運(yùn)動(dòng)控制訓(xùn)練效果，符合運(yùn)動(dòng)控制及運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)原理[11-12]。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)化的定量、重復(fù)、強(qiáng)制訓(xùn)練

1.4.1 特點(diǎn) 步行康復(fù)機(jī)器人對(duì)于患者的步幅、步頻、步速、步間距、髖膝運(yùn)動(dòng)軌跡控制都可以做到標(biāo)準(zhǔn)化、定量化，能保證動(dòng)作訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)，能對(duì)患者進(jìn)行強(qiáng)制步行訓(xùn)練。

1.4.2 理念 傳統(tǒng)步行訓(xùn)練或減重步行訓(xùn)練都為人工訓(xùn)練，無(wú)法保證每次訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)化、同質(zhì)化、精確的量化，因此是一種不夠穩(wěn)定的治療。而機(jī)器人在這方面有明顯的優(yōu)勢(shì)[13]。

它能保證標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)。對(duì)適當(dāng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)是保證運(yùn)動(dòng)康復(fù)療效的要素之一。如今治療師每天要服務(wù)大量患者，導(dǎo)致患者的標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)治療強(qiáng)度不足，機(jī)器人的出現(xiàn)改善了這一問(wèn)題[13]。

強(qiáng)制性訓(xùn)練體現(xiàn)了認(rèn)知康復(fù)原理及主動(dòng)重復(fù)性原理。對(duì)于癱瘓側(cè)肢體強(qiáng)制的、大強(qiáng)度的訓(xùn)練，可克服廢用。對(duì)上肢需進(jìn)行強(qiáng)迫性非偏癱側(cè)運(yùn)動(dòng)限制，促使偏癱側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)；對(duì)于下肢則不必限制非偏癱側(cè)的使用，但要求偏癱側(cè)下肢大量高強(qiáng)度的功能訓(xùn)練[14]。對(duì)機(jī)器人而言，機(jī)械臂與跑臺(tái)一旦啟動(dòng)，就能迫使患者邁步，加之來(lái)自視覺、聽覺、本體感覺等的刺激，促使大腦原有的程序性運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)，或者建立新的運(yùn)動(dòng)程序，從而達(dá)到所期望的運(yùn)動(dòng)功能重建。

1.5 可結(jié)合虛擬情景、任務(wù)互動(dòng)，提供多種形式的反饋信息

1.5.1 特點(diǎn) 在虛擬情景下進(jìn)行步行訓(xùn)練，有互動(dòng)性任務(wù)及多種形式的信息反饋。

1.5.2 理念 訓(xùn)練時(shí)應(yīng)用實(shí)際行走動(dòng)力學(xué)仿真引導(dǎo)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及各類信息反饋技術(shù)，使患者得到以任務(wù)為導(dǎo)向，實(shí)際動(dòng)力學(xué)仿真，需要主動(dòng)參與，整合了認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)控制調(diào)整策略的綜合步行訓(xùn)練，打破了簡(jiǎn)單的模式化步行，突出了脊髓上神經(jīng)水平對(duì)于步行的高級(jí)控制作用，突破了CPG層次的訓(xùn)練。單純模式化運(yùn)動(dòng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性不足，需要高級(jí)神經(jīng)控制，而腦部對(duì)各類模式化運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)程序具有調(diào)控及重寫作用，符合現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制理論[11]。

2 問(wèn)題、挑戰(zhàn)及建議(以AutoAmbulator為例)

2.1 減重對(duì)于本體感覺輸入有不利影響

減重會(huì)減少地面對(duì)肢體的反作用力，減少本體感覺輸入；對(duì)于本體感覺障礙的患者，此時(shí)若無(wú)其他反饋，患者甚至感覺不到偏癱側(cè)下肢的存在。實(shí)際應(yīng)用中可以考慮使用膝、踝本體感覺綁帶，增加關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的本體覺輸入。

2.2 減重量不穩(wěn)定

懸吊減重系統(tǒng)在患者處于不斷步行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其減重量與水中減重或空氣壓力減重相比顯得不穩(wěn)定；這種減重更像是一種對(duì)側(cè)方失平衡保護(hù)。而且減重本身不能直接導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱，如當(dāng)患者左下肢單腿支撐相時(shí)，身體重心偏右，完全靠減重帶的側(cè)方保護(hù)，與正常步行時(shí)重心方向正好相反，此時(shí)減重的數(shù)值其實(shí)是患者側(cè)方傾斜的體重比例。

2.3 對(duì)骨盆的運(yùn)動(dòng)控制不足

相當(dāng)多的步行訓(xùn)練機(jī)器人只提供一根骨盆固定帶，導(dǎo)致骨盆前后移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)能力減低，而對(duì)于左右重心轉(zhuǎn)移控制并無(wú)作用。因此可以考慮結(jié)合骨盆控制器的應(yīng)用，可以結(jié)合PAM的設(shè)計(jì)策略[15]。

2.4 對(duì)于踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制不足

腿部驅(qū)動(dòng)機(jī)器人對(duì)于踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制并不理想。不論是使用踝部固定帶，還是根據(jù)患者情況選取不同彈力帶，這種控制策略其實(shí)沒有給予踝關(guān)節(jié)正常步行的運(yùn)動(dòng)控制輸入；且隨著步速的加快，極易誘發(fā)踝陣攣?？煽紤]增加足部控制器來(lái)進(jìn)行踝關(guān)節(jié)輔助運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[16]。

2.5 情境模擬真實(shí)性低，融入感不強(qiáng)

由于情景模擬界面的友好性不足，許多所謂的情景模擬真實(shí)性低，更有一些情景模擬程序竟然沒有反饋和互動(dòng)，使得情景模擬形同虛設(shè)；這種情況要從控制器、反饋器及計(jì)算機(jī)情景模擬軟件設(shè)計(jì)上改進(jìn)。

2.6 步行輔助達(dá)不到正常步態(tài)三維水平

機(jī)器人僅提供了髖、膝關(guān)節(jié)矢狀面上的運(yùn)動(dòng)輔助及骨盆矢狀面上的活動(dòng)限制，不符合人體正常三維步態(tài)的控制要求。

3 結(jié)論及展望

腦卒中步行訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)是隨著腦卒中研究和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的。如今，臨床對(duì)于康復(fù)機(jī)器人的要求更高，要能適應(yīng)不同患者的實(shí)際情況，低噪聲，外觀友好，操作簡(jiǎn)便，全面的安全保證等；在使用時(shí)不應(yīng)給患者帶來(lái)痛苦、不便或限制他們的活動(dòng)。除此之外，設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人時(shí)還應(yīng)考慮是否能與患者的輪椅、支具及周圍環(huán)境等相容。康復(fù)機(jī)器人的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)患者的運(yùn)動(dòng)目的并且服從他們，同時(shí)引導(dǎo)出適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)以達(dá)到運(yùn)動(dòng)目的，而不是強(qiáng)加給患者一個(gè)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡[17]?，F(xiàn)今的康復(fù)機(jī)器人還未能完全達(dá)到臨床對(duì)于機(jī)器人的要求，需要進(jìn)行更多更深入的研究。

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