隗麒軒，何思佳，黃雨青 綜述 楊信才 審校

河北大學(xué)附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，河北 保定 071000

腦卒中是臨床的常見(jiàn)病和多發(fā)病，約1/3的腦卒中幸存患者不能恢復(fù)獨(dú)立的行走能力，而恢復(fù)步行能力的患者中有的則是以偏癱步態(tài)行走[1]。資料顯示，患者經(jīng)過(guò)早期正規(guī)康復(fù)治療后，在第一年末日常生活可以達(dá)到自理的患者可高達(dá)60%；處于工作年齡段的患者中，在第一年末，約30%的患者可以重新返回工作崗位[2]。然而，傳統(tǒng)的康復(fù)療法勞動(dòng)強(qiáng)度很大，這給任何國(guó)家的醫(yī)療體系都帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。下肢康復(fù)機(jī)器人不僅緩解了醫(yī)療機(jī)構(gòu)的人員壓力，而且可以提供高強(qiáng)度、重復(fù)性以及減重支持性訓(xùn)練，有利于急性期及亞急性期腦卒中患者盡早開(kāi)始下肢功能訓(xùn)練。本文對(duì)典型的下肢康復(fù)機(jī)器人及其技術(shù)進(jìn)行綜述，以期為臨床應(yīng)用及康復(fù)機(jī)器人研發(fā)提供參考。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人介紹

下肢康復(fù)機(jī)器人包括步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人、輔助行走康復(fù)機(jī)器人、末端驅(qū)動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人。步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人通常是基于外骨骼支持系統(tǒng)與醫(yī)用跑臺(tái)相結(jié)合的下肢康復(fù)機(jī)器人，可幫助患者實(shí)現(xiàn)下肢在矢狀面的運(yùn)動(dòng)，為患者提供一個(gè)生理步態(tài)的康復(fù)訓(xùn)練，如 Lokomat[3]、LokoHelp[4]。研究表明，Lokomat和 LokoHelp均能提高腦卒中偏癱患者的步行能力[5-6]。一項(xiàng)將生物反饋技術(shù)與Lokomat相結(jié)合的研究表明，Lokomat訓(xùn)練顯著改善了患者的步態(tài)、日常生活活動(dòng)能力和軀干控制能力，但由于生物反饋的內(nèi)容不同，其效果也不同?；谠诰€生物肌電信息(EMGb)的新型生物反饋能更有效地減少肌肉痙攣，改善踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的肌力。但是關(guān)節(jié)力矩生物反饋(Rb)比EMGb更能適應(yīng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)[7]。輔助行走康復(fù)機(jī)器人主要由機(jī)械外骨骼和輔助助行器組成，可以為患者提供從坐到站、從站到坐、行走以及上下樓等接近日常生活的訓(xùn)練，如HAL[8]、ReWalk[9]。研究表明，HAL輔助訓(xùn)練可以提高腦卒中偏癱患者的步行速度[10]。另一項(xiàng)對(duì)于慢性腦卒中患者的研究表明，HAL訓(xùn)練結(jié)合傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)療法可以改善患者的平衡能力和獨(dú)立步行能力，但是單獨(dú)使用HAL的優(yōu)越性仍需進(jìn)一步研究[11]。關(guān)于Re-Walk的研究表明，大多數(shù)受試者能夠?qū)崿F(xiàn)城市環(huán)境中有限的社區(qū)步行，并且有利于疼痛管理以及腸道和膀胱功能[12]。末端驅(qū)動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人是通過(guò)作用于人體足部進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，主要由機(jī)械腳踏板和減重裝置組成，更適用于早期腦卒中患者，如GangTrainer[13]、HapticWalker[14]。 研 究 表 明 ，Gang-Trainer能提高腦卒中偏癱患者的步行能力及日常生活活動(dòng)能力[15]。另一項(xiàng)研究表明，與平地行走相比，使用末端驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人訓(xùn)練時(shí)，受試者大腿和小腿肌肉的肌電活動(dòng)較低，但膝關(guān)節(jié)屈肌和伸肌力量改善優(yōu)于平地訓(xùn)練組[16]。

2 下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)分析

2.1 減重支持技術(shù) 一項(xiàng)對(duì)病程3個(gè)月內(nèi)腦卒中偏癱患者的研究表明，在傳統(tǒng)康復(fù)治療的基礎(chǔ)上，早期應(yīng)用減重步行訓(xùn)練，能更顯著地提高偏癱患者的步行能力及日常生活活動(dòng)能力[17]。伍少玲等[18]對(duì)60例腦卒中患者進(jìn)行減重步行訓(xùn)練的研究發(fā)現(xiàn)，減重步行訓(xùn)練能顯著改善腦卒中患者的平衡能力、步行能力及步態(tài)。對(duì)恢復(fù)期腦卒中患者進(jìn)行減重步行訓(xùn)練的研究發(fā)現(xiàn)，減重支持訓(xùn)練可以提高患者的平衡能力、步行能力，且在治療后3個(gè)月仍?xún)?yōu)于對(duì)照組[19]。另一項(xiàng)對(duì)慢性腦卒中患者的研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行減重步行訓(xùn)練可使改善患者步行時(shí)的肌肉活動(dòng)時(shí)間順序[20]。有減重支持系統(tǒng)的下肢康復(fù)機(jī)器人可以減少患者由于下肢肌力不足而造成的下肢運(yùn)動(dòng)困難，從而使患者盡早下床進(jìn)行步行訓(xùn)練，減重訓(xùn)練可以提高步行時(shí)的穩(wěn)定性、患者參與性及主動(dòng)性[21]。下肢康復(fù)機(jī)器人通常利用懸吊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減重訓(xùn)練，如Lokomat、GangTrainer均有懸吊裝置，懸吊重量可以從顯示器上讀出。但是，懸吊操作較復(fù)雜，往往需要2個(gè)或2個(gè)以上治療師協(xié)作完成，而且懸吊系統(tǒng)的安全性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。有人將電動(dòng)床板與下肢康復(fù)機(jī)器人相結(jié)合，通過(guò)調(diào)節(jié)床板角度實(shí)現(xiàn)不同程度的減重。將患者固定的電動(dòng)床板上有較好的安全性，更適合于早期腦卒中患者，但是其減重程度有限且難以量化。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)是一種新興的技術(shù)，因其具有安全性高、趣味性強(qiáng)、及時(shí)評(píng)估與反饋等特點(diǎn)，逐漸在康復(fù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用[22]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要是借助虛擬境界，通過(guò)傳感技術(shù)為患者提供多種感覺(jué)刺激，主動(dòng)進(jìn)行人機(jī)交互，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)評(píng)估或康復(fù)訓(xùn)練[23]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可為患者帶來(lái)真實(shí)感覺(jué)反饋，并增強(qiáng)大腦皮質(zhì)的可塑性，將趣味性和任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練相結(jié)合，提高患者治療的積極性、主動(dòng)性與參與性。孫然等[24]比較了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的平衡訓(xùn)練和傳統(tǒng)平衡訓(xùn)練，結(jié)果表明基于VR的平衡訓(xùn)練較傳統(tǒng)平衡訓(xùn)練更能有效地提高腦卒中偏癱患者的動(dòng)靜態(tài)平衡能力。程秀艷等[25]將234例患者分為常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練組和VR治療組，經(jīng)過(guò)8周的治療，結(jié)果顯示VR治療可以改善腦卒中偏癱患者的下肢功能障礙,恢復(fù)軀體平衡能力,提高步行速度。其他研究表明，VR訓(xùn)練可以改善腦卒中患者的日常生活活動(dòng)能力[26]、步行能力及步態(tài)[27]。國(guó)外較早將VR技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練[28-29]，如Rutger ArmⅡ康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其結(jié)合了虛擬游戲，可以在訓(xùn)練中通過(guò)紅外線技術(shù)跟蹤患者的運(yùn)動(dòng)軌跡，為患者提供觸覺(jué)反饋[30]。隨著VR技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)許多學(xué)者也將VR技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。張磊杰等[31]提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速合理有效的存取患者的步態(tài)、心跳等信息，并將信息體現(xiàn)在游戲中，增加了康復(fù)訓(xùn)練的趣味性。燕山大學(xué)設(shè)計(jì)了一種坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，并結(jié)合了虛擬訓(xùn)練，利用該下肢康復(fù)機(jī)器人患者可以在虛擬戶(hù)外騎行場(chǎng)景中進(jìn)行騎行訓(xùn)練[32]。新一代的步行康復(fù)機(jī)器人多結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為患者增添訓(xùn)練時(shí)的樂(lè)趣，增加感覺(jué)輸入，但當(dāng)前的VR技術(shù)真實(shí)感低、融入性不強(qiáng)、沉浸感弱，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

2.3 人機(jī)交互技術(shù) 人機(jī)交互系統(tǒng)即傳感系統(tǒng)，由各類(lèi)不同的傳感器組成，下肢康復(fù)機(jī)器人正是通過(guò)傳感系統(tǒng)對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行全面識(shí)別[33]。下肢康復(fù)機(jī)器人使用的人機(jī)交互技術(shù)主要有：物理型和感知型。物理型人機(jī)交互法捕捉患者和機(jī)器人之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)信息，而感知性人機(jī)交互捕捉人體肌肉和腦部的信號(hào)[34]。美國(guó)BLEEX外骨骼機(jī)器人通過(guò)壓力傳感器和陀螺儀等來(lái)捕捉和分析人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)信息[35]。日本HAL-5機(jī)器人兼有壓力傳感器和生物電信號(hào)傳感器[36]，可以檢測(cè)由患者的肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的生物電信號(hào)和/或由患者預(yù)期的體重變化引起的地面反作用力信號(hào)，從而根據(jù)穿戴者的意愿產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。中科院合肥智能研究所研發(fā)的多傳感器感知系統(tǒng)，利用足底壓力信息來(lái)劃分步態(tài)周期，結(jié)合角度傳感器、加速度計(jì)和一維力傳感器做位置、速度和助力的反饋信號(hào)，為可穿戴助力機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供感知信息基礎(chǔ)[37]。目前下肢康復(fù)機(jī)器人通常采用單一的物理型或感知型傳感器，傳統(tǒng)的力/位置交互策略具有明顯的時(shí)滯性、傳感數(shù)量多等缺點(diǎn)，以及穿戴者單純依靠力、位置等物理信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)自由行走等功能，因此需要能更加準(zhǔn)確、快速地判斷穿戴者運(yùn)動(dòng)意圖的新方法。腦電、肌電等生物信號(hào)由于能快速反應(yīng)人的意圖，但也存在信號(hào)微弱等問(wèn)題。因此，如何將腦電、肌電等生物信號(hào)與力、位置等物理反饋信號(hào)融合仍需進(jìn)一步研究。

3 展望

早期康復(fù)可以促進(jìn)軀體各種感覺(jué)的輸入，促進(jìn)病損中樞神經(jīng)周?chē)鷤?cè)枝循環(huán)的建立，增加神經(jīng)軸突、突觸之間的聯(lián)系，從而促進(jìn)受損側(cè)大腦半球的功能重塑，是促進(jìn)腦卒中患者神經(jīng)功能重建的重要途徑[38-39]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)合減重技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及人機(jī)交互技術(shù)可幫助患者盡早進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練、坐-站訓(xùn)練及行走訓(xùn)練，為急性期及亞急性期腦卒中患者的康復(fù)提供了新途徑。但是，目前仍存在減重支持技術(shù)安全性不明確、懸吊裝置限制患者軀體運(yùn)動(dòng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)真實(shí)感低、物理型和感知型交互不能有效融合等問(wèn)題。

近年來(lái)，下肢康復(fù)機(jī)器人在臨床中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但其應(yīng)用和技術(shù)研究仍任重道遠(yuǎn)。一方面，目前下肢康復(fù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用仍然是經(jīng)驗(yàn)性的，需要進(jìn)行更多的臨床研究來(lái)確定更精確的適應(yīng)癥和使用劑量；另一方面，下肢康復(fù)機(jī)器人需要與計(jì)算機(jī)等相關(guān)學(xué)科進(jìn)一步結(jié)合，從而為患者訓(xùn)練提供更安全、更智能的技術(shù)支持。