步行機器人訓練中所體現的現代腦卒中康復理念及存在的問題①

劉華衛，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題之一。自20世紀90年代起，步行訓練機器人在腦卒中患者康復中逐漸應用并不斷擴大和深入，機器人的設計和功能也隨著腦卒中康復理念和工程學方面的發展而不斷變化[1]。目前腦卒中康復步行訓練機器人是在減重步行訓練裝置的基礎上，結合機械動作輔助引導系統發展起來的[2]，多為下肢外骨骼腿部驅動機器人或踏板足部驅動機器人，結合減重系統和訓練跑臺的一體化設計產品，較常用的有瑞士的Lokomat，德國的Gait Trainer，美國的Autoambulator、Lokohelp等[3]。這些步行康復機器人設計中包含了許多當今腦卒中的康復理念。

1 步行康復機器人的特點及其所體現的現代腦卒中康復理念

1.1 以步行訓練為任務導向

1.1.1 特點 以步行為任務導向，任務目標明確且功能化。

1.1.2 理念 體現了以功能性任務為導向的運動學習理念。順應性或可塑性是神經系統的基本特點，需要通過學習和訓練才能達到神經可塑性改變；而學習和訓練必須與具體任務相結合，才能充分調動神經系統，產生可塑性改變[4-5]。步行訓練正是一種與功能獨立密切相關的、明確的導向性任務。

1.2 減重狀態下的步行訓練

1.2.1 特點 減重裝置可以為患者提供安全保護，同時減少下肢負重，為患者早期步行訓練創造條件。

1.2.2 理念 安全保障對患者心理狀態有支持作用，進而對于全身肌張力有調節作用。①減重裝置在患者失去重心控制時可提供充分保護，這種安全性對患者心理有極大的支持；而不當的心理精神狀態是異常肌張力的誘發因素之一[6]；②減重適應了患者的實際下肢肌力及控制能力，降低了任務難度，使患者以更高的質量完成步行動作，一定程度上減少了由于任務難度不當而引起的誤用模式[6]；③減重為早期步行創造了條件，而在患者臨床狀況穩定的前提下，早期減重步行訓練介入較傳統步行康復訓練可更快恢復步行能力[7]；④腦卒中患者運動恢復規律在一定程度上與小兒運動發育順序相似，但并不是小兒發育順序的再現[8]，這是人為創造條件進行早期步行訓練的依據之一。

1.3 機械裝置輔助下肢運動的步行訓練

1.3.1 特點 通過機械裝置對下肢運動進行輔助，以提供模擬正常步態的運動引導，并可以進行被動步行、助力步行等不同的步行訓練。

1.3.2 理念 引導下的運動訓練符合認知障礙患者的運動治療原理及現代認知康復原理。對于認知障礙或步行失用患者，言語解釋甚至動作示范都難以奏效，需要手把手地引導患者完成任務動作，并且不斷反復，直至患者能夠配合訓練[9]。對于這類患者，步行機器人訓練類似人工助力引導下的運動訓練，能給予患者各類感覺輸入，為患者提供正確的運動順序及動作引導，最終達到正確的步行運動。

模擬正常步態的引導運動提供了穩定的模式化步行訓練，體現了中樞模式發生器(CPG)及大腦運動程序理念。單純的步行其實是一種模式化節律運動。現代研究已證明，單純的模式化運動受到脊髓內CPG的控制以及大腦的高級調控，并可通過反復模式化訓練達到康復效果[10]。

機器人輔助步行是一種站立位下的被動步行運動，它模擬正常步態的運動引導，可以最大程度地提供步行時的感知覺輸入，有利于腦部形成運動記憶軌跡。

訓練難度依次上升，并強調最終的主動參與，不提倡長期的純粹感知覺體驗。現在認為，感知覺輸入對于運動輸出有一定意義，但不是運動輸出的決定性因素[8]。

強調以步行功能訓練為導向的主動參與。由于有模擬正常步態的運動引導，對于異常步態有一定糾正作用。助力步行時，若能主動順應機械引導完成步行動作，并注意運動控制強度符合自己當時的實際水平，則能最大程度地避免異常運動，得到最佳運動控制訓練效果，符合運動控制及運動學習原理[11-12]。

1.4 標準化的定量、重復、強制訓練

1.4.1 特點 步行康復機器人對于患者的步幅、步頻、步速、步間距、髖膝運動軌跡控制都可以做到標準化、定量化，能保證動作訓練的標準化重復，能對患者進行強制步行訓練。

1.4.2 理念 傳統步行訓練或減重步行訓練都為人工訓練，無法保證每次訓練的標準化、同質化、精確的量化，因此是一種不夠穩定的治療。而機器人在這方面有明顯的優勢[13]。

它能保證標準化重復。對適當運動訓練的標準化重復是保證運動康復療效的要素之一。如今治療師每天要服務大量患者，導致患者的標準化重復治療強度不足，機器人的出現改善了這一問題[13]。

強制性訓練體現了認知康復原理及主動重復性原理。對于癱瘓側肢體強制的、大強度的訓練，可克服廢用。對上肢需進行強迫性非偏癱側運動限制，促使偏癱側上肢運動；對于下肢則不必限制非偏癱側的使用，但要求偏癱側下肢大量高強度的功能訓練[14]。對機器人而言，機械臂與跑臺一旦啟動，就能迫使患者邁步，加之來自視覺、聽覺、本體感覺等的刺激，促使大腦原有的程序性運動啟動，或者建立新的運動程序，從而達到所期望的運動功能重建。

1.5 可結合虛擬情景、任務互動，提供多種形式的反饋信息

1.5.1 特點 在虛擬情景下進行步行訓練，有互動性任務及多種形式的信息反饋。

1.5.2 理念 訓練時應用實際行走動力學仿真引導技術、虛擬現實技術及各類信息反饋技術，使患者得到以任務為導向，實際動力學仿真，需要主動參與，整合了認知、運動控制調整策略的綜合步行訓練，打破了簡單的模式化步行，突出了脊髓上神經水平對于步行的高級控制作用，突破了CPG層次的訓練。單純模式化運動對外界環境的適應性不足，需要高級神經控制，而腦部對各類模式化運動或運動程序具有調控及重寫作用，符合現代運動控制理論[11]。

2 問題、挑戰及建議(以AutoAmbulator為例)

2.1 減重對于本體感覺輸入有不利影響

減重會減少地面對肢體的反作用力，減少本體感覺輸入；對于本體感覺障礙的患者，此時若無其他反饋，患者甚至感覺不到偏癱側下肢的存在。實際應用中可以考慮使用膝、踝本體感覺綁帶，增加關節活動時的本體覺輸入。

2.2 減重量不穩定

懸吊減重系統在患者處于不斷步行的運動狀態時，其減重量與水中減重或空氣壓力減重相比顯得不穩定；這種減重更像是一種對側方失平衡保護。而且減重本身不能直接導致運動的對稱，如當患者左下肢單腿支撐相時，身體重心偏右，完全靠減重帶的側方保護，與正常步行時重心方向正好相反，此時減重的數值其實是患者側方傾斜的體重比例。

2.3 對骨盆的運動控制不足

相當多的步行訓練機器人只提供一根骨盆固定帶，導致骨盆前后移動和旋轉能力減低，而對于左右重心轉移控制并無作用。因此可以考慮結合骨盆控制器的應用，可以結合PAM的設計策略[15]。

2.4 對于踝關節運動控制不足

腿部驅動機器人對于踝關節運動控制并不理想。不論是使用踝部固定帶，還是根據患者情況選取不同彈力帶，這種控制策略其實沒有給予踝關節正常步行的運動控制輸入；且隨著步速的加快，極易誘發踝陣攣。可考慮增加足部控制器來進行踝關節輔助運動訓練[16]。

2.5 情境模擬真實性低，融入感不強

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性低，更有一些情景模擬程序竟然沒有反饋和互動，使得情景模擬形同虛設；這種情況要從控制器、反饋器及計算機情景模擬軟件設計上改進。

2.6 步行輔助達不到正常步態三維水平

機器人僅提供了髖、膝關節矢狀面上的運動輔助及骨盆矢狀面上的活動限制，不符合人體正常三維步態的控制要求。

3 結論及展望

腦卒中步行訓練機器人技術是隨著腦卒中研究和機器人技術的不斷發展而出現的。如今，臨床對于康復機器人的要求更高，要能適應不同患者的實際情況，低噪聲，外觀友好，操作簡便，全面的安全保證等；在使用時不應給患者帶來痛苦、不便或限制他們的活動。除此之外，設計康復機器人時還應考慮是否能與患者的輪椅、支具及周圍環境等相容。康復機器人的目標是發現患者的運動目的并且服從他們，同時引導出適當的運動以達到運動目的，而不是強加給患者一個預先設定的運動軌跡[17]。現今的康復機器人還未能完全達到臨床對于機器人的要求，需要進行更多更深入的研究。

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