張利，潘黎，茍慧，白定群

1.重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院康復醫(yī)學科，重慶 400016；2.重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院康復醫(yī)學科,重慶 400010

下肢康復機器人在腦卒中及脊髓損傷步行訓練中的應用進展

張利1，潘黎1，茍慧2，白定群1

1.重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院康復醫(yī)學科，重慶 400016；2.重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院康復醫(yī)學科,重慶 400010

腦卒中及脊髓損傷所致的步行障礙是影響該類患者生活質(zhì)量的重要因素，傳統(tǒng)的步態(tài)訓練主要是通過調(diào)節(jié)患者肌力、肌張力及運動模式來改善患者異常步態(tài)，而下肢康復機器人通過給予患者高強度、重復性及針對性的下肢步態(tài)訓練，使患者神經(jīng)系統(tǒng)功能重塑，從而更有效地達到治療效果。 本文通過對下肢康復機器人在臨床中各種疾病后下肢訓練的相關文獻的閱讀，可總結出下肢康復機器人對腦卒中及脊髓損傷患者下肢功能的康復、肌肉功能的恢復、步態(tài)的訓練都具有一定的臨床意義。

康復機器人；下肢功能；步態(tài)；腦卒中；脊髓損傷

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，腦卒中、脊髓損傷等患者數(shù)量越來越多，這類患者大多都有異常的步態(tài)及活動能力的下降，對患者的行動能力、日常生活及社會參與均有不同程度的影響，為了糾正異常步態(tài)，并在一定程度上恢復肢體的活動能力，相應出現(xiàn)了運動治療、物理因子治療及手法治療等物理治療方法，諸如神經(jīng)發(fā)育療法Bobath技術、Brunnstrom技術、Rood技術、PNF技術和運動再學習療法（MRP）以及強制性運動治療（CIMT）等針對性促通技術。在對運動損傷后下肢功能恢復及步態(tài)周期的不斷研究中，為了確保早期、高強度、任務導向及多感覺刺激的康復治療，進一步促進肢體功能的恢復，康復機器人順勢而生，它不僅可以增強物理治療中的肢體訓練，也可以較好的保證姿勢的擺放正確度，明顯緩解了治療師的壓力，并確保了一定的康復效果，節(jié)約社會資源?，F(xiàn)對康復機器人在臨床中的主要應用及效果進行討論，重點總結卒中及脊髓損傷后機器人系統(tǒng)的使用。

1 康復機器人對步態(tài)的影響與優(yōu)點

人體在行走過程中從一側足跟著地起至同側足跟再次著地上的時間稱為一個步態(tài)周期。人腦皮質(zhì)區(qū)存在運動調(diào)控區(qū)，可調(diào)控人體運動及正常步態(tài)的產(chǎn)生，當運動系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)如大腦皮質(zhì)區(qū)、運動神經(jīng)、效應肌肉等部位出現(xiàn)損傷，即可導致異常步態(tài)的產(chǎn)生。為了糾正異常步態(tài)，恢復患者正常的行走能力，需在了解病因后對其進行針對性的對因治療，同時輔以相應的康復訓練，如腦卒中引起的偏癱步態(tài)、單側錐體束損害引起的劃圈步態(tài)等。目前針對肢體功能的康復方法，包括有傳統(tǒng)物理治療、作業(yè)治療、機器人輔助訓練、功能性電刺激（FES）、基于腦電圖（EEG）的無創(chuàng)腦機接口 （BCIs）及功能性近紅外光譜（fNIRS）等一系列由中樞至外周的相應措施[1]。本文主要討論康復機器人療法對步態(tài)恢復的影響。目前多數(shù)康復機器人的機制多為設定正常步態(tài)模式，予以患者在早期的高強度、高重復、具有任務特異性的多感覺刺激及運動訓練，并同步上下肢設備。實驗結果表明，相對于傳統(tǒng)方法，康復機器人使用者可以通過上下肢的連接提高在水平的地面上、斜坡上和樓梯上行走的速度[2]。

傳統(tǒng)物理治療方法通過對患者的感覺、肌張力、肌力、動作模式、平衡性、步態(tài)、關節(jié)活動度等的評定制定相應的運動治療及功能訓練方法，使患者通過不斷地重復運動保持一定強度的功能訓練，以此來刺激末梢神經(jīng)及肌肉的活動性，從而影響神經(jīng)系統(tǒng)，來達到康復的目的[1]。但傳統(tǒng)物理治療方法依賴于康復治療師的人力，患者在治療師的幫助下得到的訓練強度有限，難以實現(xiàn)高強度、重復性的下肢訓練，康復評價也具有主觀性，對患者的康復評定和治療有一定的局限性[3]。而康復機器人輔助療法不僅可以達到傳統(tǒng)運動治療的水平，還能指導患者姿勢的正確性，有助于正常步態(tài)的恢復，通過神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性機制促進步態(tài)康復。同時可以緩解物理治療師純手動物理治療的壓力，增加肌肉功能訓練的有效性，且機器人系統(tǒng)非常適合于在治療師監(jiān)督下對病人四肢執(zhí)行高度密集且具有任務導向的運動訓練[4]，也可以對治療過程中的一系列行為進行記錄和評價，提高康復措施中的效力和效率[5]。

2 康復機器人在臨床中的應用

近年來與康復機器人相關的文獻研究逐漸增加，其中關于腦卒中或脊髓損傷后使用康復機器人的研究占了很大一部分比例，總結見表1。

2.1 康復機器人在卒中后病人康復治療中的影響

腦卒中是發(fā)達國家中成年人發(fā)病和死亡的主要原因之一，而幸存者均會存在不同程度的神經(jīng)損傷或障礙，如輕偏癱、交流障礙、認知損害、或空間視覺的損傷[6]。卒中后病人的主要臨床表現(xiàn)是偏癱或輕偏癱等運動功能的損害，即使大部分患者可以實現(xiàn)獨立的站立步態(tài)，但很多都不能有相應的行走水平來支持日常生活，故需要進行步行功能的恢復訓練。行走的基本運動模式產(chǎn)生于脊髓，而精細控制的行走來源于不同的腦部區(qū)域，包括大腦運動皮質(zhì)、小腦和腦干[7]，步態(tài)康復依賴于神經(jīng)可塑性，許多證據(jù)證明卒中后運動系統(tǒng)可重塑，并且可通過運動訓練來影響[8]。卒中后的患者大腦皮質(zhì)功能受損，而脊髓功能得到保存，因此，通過特定的動作，脊髓產(chǎn)生行走所需信號的功能可以被利用于去重組運動區(qū)的皮質(zhì)[9]。且小腦在運動學習中具有一定的皮質(zhì)中運動信號輸入功能[10]，有利于卒中后的康復。在認知功能良好的前提下，康復機器人可通過不斷重復特定的動作達到上述運動系統(tǒng)的重塑，使患者產(chǎn)生運動適應及學習，重復的運動適應及不斷的反饋可以導致新的運動標準的生成，它可以在更持久的基礎上改變患者的運動模式[11]，從而達到步態(tài)康復的目的。同時它可以保存患者的運動學數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析可以判斷患者的治療進展、狀態(tài)改變及療效評估[12]，治療師可以根據(jù)每個人特定的康復目的去設定目標和通過對患者狀態(tài)進行評價從而提高治療效果。

康復機器人對腦卒中后患者的影響具體體現(xiàn)在促進正常步態(tài)的恢復、維持患側肢體與正常肢體的平衡性、訓練下肢肌肉活動等，可在多個文獻中找到證據(jù)。已有多個臨床研究可證明康復機器人對卒中后偏癱患者的訓練與傳統(tǒng)物理治療結合后，相應指標（如FAC評分、FMA評分等）的結果改變具有意義，說明了患者接受機器人步態(tài)康復訓練后可獲得更好的行走及爬樓能力，提高患者下肢肌肉力量，甚至有提高患者心肺功能的潛力[13-17]。而在一個隨機對照實驗中，經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，雖然除內(nèi)收肌外，地面行走訓練的下肢肌肉活動性高于機器人輔助訓練，但后者可保持卒中后患者雙側下肢的肌肉活動性的一致，從而使下肢肌肉產(chǎn)生一個更加對稱的活動模式[18]。一些學者在給予實驗組機器人輔助步態(tài)訓練及功能性電刺激，而對照組僅給予機器人輔助訓練后發(fā)現(xiàn)實驗組的步長及最大伸膝存在有意義的改變，且實驗組和對照組之間最大伸膝可見明顯區(qū)別，從而更加證明了下肢康復機器人可促進患者下肢運動功能的恢復[19]。并且早期的亞急性腦卒中住院患者在進行模塊化下肢機器人訓練時具有良好的耐受性，能夠提升腳踝運動控制能力及步態(tài)模式恢復[20]。最近，有研究者將30名患有亞急性腦卒中后臥床的住院患者分為2組進行了試驗觀察lokomat替代治療方法的效果，結果發(fā)現(xiàn)實驗組患者的行走速度、運動相關測試、輕癱下肢的膝蓋擴展強度等的提高具有明顯意義，證明了lokomat治療的訓練方法結合常規(guī)物理治療對亞急性腦卒中患者具有明顯效果[21]。

在我國也有很多關于康復機器人治療效果的研究，在之前的一篇文獻中提到，經(jīng)過一個隨機對照試驗對GEO System下肢機器人對卒中后偏癱患者的步態(tài)影響進行了研究對比，發(fā)現(xiàn)患者經(jīng)過常規(guī)康復訓練，再結合GEO System下肢機器人的輔助步行訓練后，由于減重減輕了患者的負擔，且動態(tài)平衡訓練及閉鏈運動對患者重心對稱分布及穩(wěn)定性都有益，使患者的步行獨立性以及平衡功能都有了明顯改善，證明該下肢康復機器人可有效改善患者的步行功能，提高穩(wěn)定性[22]。而最近一篇相關的研究，研究者們對首次發(fā)生腦?；蚰X出血的患者在給予機電生物反饋等常規(guī)康復干預的基礎上輔以A3康復機器人（見圖1）下肢步行訓練，治療 6周后發(fā)現(xiàn)患者的下肢FMA評分、上田敏分級及FAC評分明顯高于對照組，說明了康復機器人步行訓練能在常規(guī)康復干預的基礎上明顯改善患者下肢運動功能[23]。

2.2 康復機器人在脊髓損傷后病人康復治療中的影響

脊髓損傷是脊柱損傷最嚴重的并發(fā)癥，往往導致?lián)p傷節(jié)段以下肢體嚴重的功能障礙。脊髓損傷后患者常常會有不同程度的不完全性運動功能的損傷，步態(tài)周期中擺動相可能會有髖關節(jié)活動度的限制，及站立相膝關節(jié)穩(wěn)定性的不足。該病對患者行走能力及社會參與方面的影響可能會導致多種并發(fā)癥的產(chǎn)生，如心血管疾病及骨質(zhì)疏松癥等[24]。由于脊髓損傷所導致的社會經(jīng)濟損失，針對脊髓損傷的預防、治療和康復已成為當今醫(yī)學界的一大課題。經(jīng)過多年的研究，針對SCI的功能康復，多為給予患者特定任務的密集功能訓練，如重復的活躍運動、提供適當?shù)膫魅敕答?、結合脊髓及脊柱內(nèi)環(huán)路的研究，以此來提升神經(jīng)可塑性，使皮質(zhì)功能重塑，促進損傷后功能恢復。

近些年，機器人設備在脊髓損傷后病人的康復中的使用逐漸頻繁，受到了廣泛的關注，如locomat，它是一種電腦控制的運動步態(tài)康復系統(tǒng)，可以定量評估患者下肢關節(jié)的靜態(tài)位置覺，有助于理解本體感覺在站立及步行功能等的康復中的角色，引導更有效的康復訓練[25]。諸如此類的康復機器人類型多樣，它們可能具有促進患者功能康復的潛力，為了確切證明康復機器人步態(tài)訓練在使用中的優(yōu)點及對患者功能的影響，部分學者進行了一個臨床試驗，通過對10名患有慢性不完全性脊髓損傷的患者使用機器人步態(tài)訓練器進行長達八周的步行訓練，并對其進行評估及測試，發(fā)現(xiàn)患者在步行速度、距離、TUG、LEMS和WISCI等方面都具有明顯的提高，證明對患有iSCI的患者進行機器人步態(tài)訓練是有效的，它可以引起患者行走能力、肌肉力量及步行質(zhì)量等方面的提高，且訓練前行走能力越差的患者進步會更加明顯[26]。為了研究不完全性脊髓損傷患者進行機器人步態(tài)康復訓練后對心肺適應的影響，國外一些研究者進行了一個相關實驗，最終結果發(fā)現(xiàn)受試者經(jīng)訓練后峰值攝氧量并無明顯改變，而休息時及持續(xù)運動后的心率較訓練前有明顯降低，證明即使低運動強度的訓練計劃沒有峰值攝氧量的變化，機器人輔助步態(tài)訓練仍能誘導心肺適應的提高[27]。

當前康復機器人的使用在腦卒中后病人的步態(tài)康復中體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，對于脊髓損傷后患者的功能康復及訓練也存在相關的研究，但后者的研究多關注于單關節(jié)運動方面，為了證明康復機器人的優(yōu)越性是否可以體現(xiàn)在諸如行走等功能性運動方面，一些學者對患有慢性iSCI的患者進行了下肢力量訓練與機器人輔助步態(tài)訓練的結果比較，發(fā)現(xiàn)，對于需借助外力幫助來行走的慢性不完全性脊髓損傷患者，特定任務的康復機器人輔助步態(tài)訓練的效果在提高行走性能方面并沒有優(yōu)于下肢力量訓練，雖然其中有樣本量較少的因素存在[28]，仍說明了下肢康復機器人對于SCI患者的功能康復效果尚需進一步研究。

3 當前機器人發(fā)展的現(xiàn)狀及進一步研究

目前，已出現(xiàn)的治療設備將康復機器人、步態(tài)訓練儀、與視覺觸覺等感覺系統(tǒng)相結合，甚至包括了虛擬現(xiàn)實技術，使患者在自行訓練的過程中不僅保證了訓練的強度、特定性、準確性，也能即使接受到自身情況的反饋，并通過所反映的數(shù)據(jù)對患者的治療進度、身體狀況進行評估，有利于下一步計劃的制定，增加了康復治療的靈活性和有效性。或者將機器人輔助步態(tài)訓練與生理性電刺激等其余治療方法相結合，以達到最有利的效果，改善患者的預后。由此可見，康復機器人在臨床中的應用具有十分有意義的優(yōu)點，尤其是對于腦卒中后患者的下肢步態(tài)訓練等方面可見明顯效果，有助于提高患者行走性能，改善疾病預后，提高生活質(zhì)量，在脊髓損傷的關節(jié)活動、肌肉力量等方面也能觀察到較好的治療效果。然而不可否認的是，機器輔助設備的使用仍存在一些不可忽視的局限。臨床中異常步態(tài)產(chǎn)生的原因非常廣泛，康復機器人主要用于糾正異常步態(tài)，盡可能恢復患者的獨立行走能力，而很多疾病在康復機器人的作用下效果并不顯著，可能是由于機制不明確或患者的配合性不夠等問題，均增加了臨床治療的難度。目前對于康復機器人對患者的功能影響仍在不斷的研究中，對大腦皮質(zhì)、傳導神經(jīng)、肌肉功能等通路中的作用機制也需進一步探索，尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)及腦部運動皮質(zhì)在癱瘓患者康復過程中所扮演的角色，對于康復機器人的作用機制的研究具有一定的促進作用。為了進一步提高康復機器人的有效性，充分發(fā)揮其作用，并節(jié)約資源，未來的研究應致力于了解其在訓練過程中對患者肢體的功能影響，如是否作用于體內(nèi)的某條傳導通路，或者是否導致了體內(nèi)某些激素或指標的變化，從而影響了患者的康復過程，以及是否能找到有利于肢體康復的因素并將之應用于臨床。只有不斷對康復機器人進行深入探索，我們才能將之進行最大程度的利用，以最小的資源消耗獲得最大的臨床反饋。

表1 近年來腦卒中及脊髓損傷后使用康復機器人的部分相關研究文獻列

圖1 康復機器人A3

（

）

[1]Belda-Lois JM,Mena-del Horno S,Bermejo-Bosch I,Moreno JC,Pons JL,Farina D:Rehabilitation of gait after stroke:a review towards a top-down approach[J].J Neuroeng Rehabil，2011（8）:66.

[2]Jungwon Yoon;Sch.of Mech.&Aerosp.Eng.：A 6-DOF Gait Rehabilitation Robot With Upper and Lower Limb Connections[M].That Allows Walking Velocity Updates on Various Terrains，2010.

[3]丁敏，李建民，吳慶文，等.下肢步態(tài)康復機器人：研究進展及臨床應用[J].中國組織工程研究與臨床康復，2010，14(35)：6604-6607.

[4]Johnson MJ,Feng X,Johnson LM,Winters JM.Potential of a suite of robot/computer-assisted motivating systems for personalized,home-based,stroke rehabilitation[J].J Neuroeng Rehabil，2007（4）:6.

[5]Kahn LE,Lum PS,Rymer WZ,Reinkensmeyer DJ.Robot-assisted movement training for the stroke-impaired arm: does it matter what the robot does[J].J Rehabil Res Dev，2006，43（5）:619-630.

[6]Schmidt H,Werner C,Bernhardt R,Hesse S,Krüger J:Gait rehabilitation machines based on programmable footplates[J]. Journal of neuroengineering and rehabilitation，2007（4）:2.

[7]Dietz V:Interaction between central programs and afferent input in the control of posture and locomotion[J].Journal of biomechanics，1996(29):841-844.

[8]Nudo RJ.Postinfarct cortical plasticity and behavioral recovery[J].Stroke，2007，38(2):845.

[9]Verma R,Arya KN,Sharma P,Garg RK：Understanding gait control in poststroke:Implications for management.Journal of Bodywork and Movement Therapies[J].J Bodyw Mov Ther，2012，16(1):14-21.

[10]Masiero S,Poli P,Rosati G,Zanotto D,Iosa M,Paolucci S, Morone G:The value of robotic systems in stroke rehabilitation[J].Expert Rev Med Devices，2014，11(2):187-198.

[11]Bastian AJ:Understanding sensorimotor adaptation and learning for rehabilitation[J].Current opinion in neurology，2008（21）:628.

[12]Mirelman A,Bonato P,Deutsch JE:Effects of training with a robot-virtual reality system compared with a robot alone on the gait of individuals after stroke[J].Stroke，2009（40）: 169-174.

[13]Ueda J,Ming D,Krishnamoorthy V,Shinohara M,Ogasawara T:Individual Muscle Control Using an Exoskeleton Robot for Muscle Function Testing[J].Neural Systems and Rehabilitation Engineering,IEEE Transactions on，2010，（18）:339-350.

[14]Morone G,Bragoni M,Iosa M,De Angelis D,Venturiero V,Coiro P,Pratesi L,Paolucci S:Who may benefit from robotic-assisted gait training A randomized clinical trial in patients with subacute stroke[J].Stroke，2012，43(4): 1140.

[15]Patrizia Poli,Giovanni Morone,,3 Giulio Rosati,and Stefano Masiero:Robotic Technologies and Rehabilitation: New Tools for Stroke Patients’Therapy[J].Biomed Res Int，2013:153872.

[16]Hesse S1,Tomelleri C,Bardeleben A,Werner C,Waldner A：Robot-assisted practice of gait and stair climbing in nonambulatory stroke patients[J].J Rehabil Res Dev，2012，49(4):613-622.

[17]Chang WH1,Kim MS,Huh JP,Lee PK,Kim YH.Effects of robot-assisted gait training on cardiopulmonary fitness in subacute stroke patients:a randomized controlled study[J]. Neurorehabil Neural Repair，2012，26(4):318-324.

[18]Coenen P,van Werven G,van Nunen MP,Van Die n JH, Gerrits KH,Janssen TW;Robot-assisted walking vs overground walking in stroke patients:an evaluation of muscle activity[J].J Rehabil Med，2012，44(4):331-337.

[19]Bae YH,Ko YJ,Chang WH,Lee JH,Lee KB,Park YJ,,Ha HG,Kim YH;Effects of Robot-assisted Gait Training Combined with Functional Electrical Stimulation on Recovery of Locomotor Mobility in Chronic Stroke Patients:A Randomized Controlled Trial[J].J Phys Ther Sci，2014，26 (12):1949-1953.

[20]Forrester LW,Roy A,Krywonis A,Kehs G,Krebs HI, Macko RF.Modular ankle robotics training in early subacute stroke:a randomized controlled pilot study[J].Neurorehabil Neural Repair，2014，28(7):678-687.

[21]van Nunen MP1,Gerrits KH,Konijnenbelt M,Janssen TW, de Haan A.Recovery of walking ability using a robotic device in subacute stroke patients:a randomized controlled study[J].Disabil Rehabil Assist Technol，2015，10(2):141-148.

[22]丁文娟，鄭蒙蒙，梁成盼，等.一種下肢康復機器人對腦卒中亞急性期偏癱患者步行功能的影響[J].中國康復醫(yī)學雜志，2014，29(10):929-947.

[23]林海丹，張韜，白定群.下肢康復機器人訓練對腦卒中偏癱患者下肢運動功能的影響[J].中華物理醫(yī)學與康復醫(yī)學雜志，2015，37（9）:674-677.

[24]Groah SL,Stiens SA,Gittler MS,Kirshblum SC,McKinley WO:Spinal cord injury medicine.5.Preserving wellness and independence of the aging patient with spinal cord injury:a primarycareapproach forthe rehabilitation medicine specialist[J].Arch Phys Med Rehabil，2002（83）: S82-S89.

[25]Antoinette Domingo and Tania Lam：Reliability and validity of using the Lokomat to assess lower limb joint position sense in people with incomplete spinal cord injury[J].J Neuroeng Rehabil，2014（11）:167.

[26]Bertine M Fleerkotte,Bram Koopman,Jaap H Buurke, Edwin H F van Asseldonk,Herman van der Kooij and Johan S Rietman:The effect of impedance-controlled robotic gait training on walking ability and quality in individuals with chronic incomplete spinal cord injury:an explorative study[J].J Neuroeng Rehabil，2014（11）:26.

[27]Hoekstra F1,van Nunen MP,Gerrits KH,Stolwijk-Swüste JM,Crins MH,Janssen TW.Effect of robotic gait training on cardiorespiratory system in incomplete spinal cord injury[J].J Rehabil Res Dev，2013，50(10):1411.

[28]Rob Labruyère and Hubertus J A van Hedel:Strength training versus robot-assisted gait training after incomplete spinal cord injury:a randomized pilot study in patients depending on walking assistance[J].J Neuroeng Rehabil，2014（11）:4.

The Apply of Lower Limb Rehabilitative Robot in Stoke and Spinal Cord Injury

ZHANG Li1,PAN Li1,GOU Hui2,BAI Ding-qun1
1.Department of Rehabilitation,The First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing,400016 China;2.Department of Rehabilitation,The Second Affiliated Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing,400010 China

The walking disorder induced by stoke and spinal cord injury(SCI)is a key factor which influences the patient's quality of life.The classical gait training can correct the abnormal gait by modulating the muscle force、tension and motor pattern of patients. However,giving the patients high intention、repetitive and targeted gait training of lower limb,the robot rehabilitation can reconstruct the nervous system,leading to a better effect of treatment.After the reading of related articles,this text summarized that the robot rehabilitation have certain clinical significance to the patients suffered stroke or SCI in their rehabilitation of lower limb、recovery of muscle function and gait training.

Robot rehabilitation；Lower limb motor functions；Gait，Stoke；Spinal cord injury

R743.3

A doi 10.11966/j.issn.2095-994X.2016.02.01.24

2015-12-13；

2016-02-03

科技項目：慢性病早期康復，篩查，心電監(jiān)測及健康管理的規(guī)范技術推廣（cstc2015jcsf10012）。

白定群，副教授，E-mail：baidingqun@163.com。

張利，潘黎，茍慧，等.下肢康復機器人在腦卒中及脊髓損傷步行訓練中的應用進展[J].世界復合醫(yī)學，2016,2,（1）：87-91.