康復機器人輔助步行訓練對不完全性脊髓損傷患者步行能力的影響

林海丹 張韜 陳青 李宏偉 白定群

康復機器人輔助步行訓練對不完全性脊髓損傷患者步行能力的影響

林海丹1張韜1陳青1李宏偉1白定群1

為探討康復機器人輔助步行訓練(Robot-assisted gait training,RAGT)對不完全性脊髓損傷(Incomplete spinal cord injury,ISCI)患者步行能力的影響,將16例ISCI患者隨機分配至對照組(常規康復治療+地面步行訓練)及試驗組(常規康復治療+RAGT).治療前及治療4周、8周、12周后,分別進行下肢運動功能評分(Low extremity motor score,LEMS)及脊髓損傷步行指數II(Walking index for spinal cord injury II,WISCI II)評定.治療后,兩組患者LEMS均有提高(P＜0.05),但試驗組LEMS與對照組比較差異無統計學意義(P＞0.05).對照組治療后各時間點WISCI II均較治療前改善(P＜0.05),試驗組在治療8周及12周后WISCI II較治療前改善(P＜0.05),但試驗組WISCI II在訓練12周后較對照組有明顯提高(P＜0.05).RAGT與地面步行訓練在提高肌力上比較無明顯差異,但在改善步行能力上RAGT優于地面步行訓練.

康復機器人輔助步行訓練,地面步行訓練,脊髓損傷,步行能力

DOI10.16383/j.aas.2016.c160173

脊髓損傷(Spinal cord injury,SCI)是一類可引起明顯運動功能障礙的神經系統損傷性疾病,其中,步行能力的缺失或受限是主要的運動功能障礙表現,也嚴重影響患者日常生活獨立性.因此,恢復步行功能是SCI康復的重要內容之一[1].而步行訓練是恢復步行功能的主要康復方法.研究表明,步行訓練的關鍵在于訓練中能否重復模擬自然行走步態,并保持正確的本體感覺和外部感覺反饋[2].針對這一理論,減重平板訓練(Body weight supported treadmill training,BWSTT)被應用于SCI患者的步行訓練.近期的隨機對照試驗及Meta分析發現減重平板訓練可提高脊髓損傷患者的步行能力[3?7].然而,進行BWSTT時,雖然可通過懸吊減重系統對患者進行體重支持,但在步行訓練過程中需要2～3個治療師對患者軀干、下肢進行控制輔助,故訓練過程中無法保證每個步行周期的感覺輸入一致[1].由于上述缺點,限制了BWSTT的臨床應用.而傳統的地面步行訓練不僅對患者運動能力要求較高,同時也存在難以提供足夠的重復性步行的缺點.為了減少治療師在步行訓練中的繁重體力勞動,同時為患者提供可重復的正確步態步行訓練,下肢康復機器人被逐步應用.大量的臨床試驗發現下肢康復機器人輔助步行訓練(Robot-assisted gait training,RAGT)可提高不完全性脊髓損傷(Incomplete spinal cord injury,ISCI)患者的步行能力、步行速度、耐力等[8?16].但這些試驗多為自身前后對照試驗,結果缺乏統計分析,隨機對照試驗少,同時大多存在樣本量不足等缺點.而最新的Meta分析及系統評價也顯示,由于缺乏足夠的臨床證據,RAGT對SCI患者步行能力的效果尚不確定[7,17?18].因此,筆者希望通過隨機對照試驗探討RAGT對ISCI患者的步行能力的影響.

而目前的RAGT臨床試驗,在對ISCI患者進行步行能力的評價時,還存在著對損傷程度及病程相似的患者采用的評價指標不統一的特點.這大大影響了不同臨床試驗之間的比較,也不利于Meta分析等的進行.而目前在針對ISCI患者步行能力的評價上,主要從下肢運動功能及步行功能兩方面進行.目前在下肢運動功能評價中,國際通用指標是美國脊髓損傷學會(American spinal injury association,ASIA)制定的脊髓損傷神經學分類國際標準中的下肢運動功能評分(Low extremity motor score,LEMS).該項目也是判斷脊髓損傷ASIA分級的重要評價指標之一[19].而在SCI患者步行功能評價上,臨床上常用到功能獨立性評定(Functional independence measure,FIM)、脊髓損傷獨立性評定(Spinal cord independence measure,SCIM)等.雖然這些評定方法包含有步行功能的評定內容,但在反映步行功能上存在敏感性差的缺點[20].近年來,脊髓損傷步行指數II(Walking index for spinal cord injury II,WISCI II)、限時步行試驗及運動學參數在ISCI患者步行功能評價上的應用日漸廣泛[8?11,13?16,21?22],但其適用人群及使用條件各有不同.WISCI II是目前評價SCI患者在康復機構內的步行能力的常用指標,更適用于早期或步行功能障礙嚴重的SCI患者[20],并與ASIA分級具有一致效度[20].而限時步行試驗需患者在一定時間內或一定距離內進行步行或完成與步行相關的行為任務,故其可以反映出SCI患者步行速度、耐力等情況,主要適用于慢性ISCI患者,但并不適用于嚴重步行功能障礙者[20],故對于部分在治療前無法進行站立的SCI患者難以實施.而運動學參數測試需依賴于三維步態分析等設備,并不適合所有醫療機構進行,在臨床推廣上受到限制.本次隨機對照臨床試驗中主要針對病程2～6月的非慢性期ISCI患者,因此,筆者選擇對患者治療前后進行LEMS及WISCI II評價,以更好反映患者治療前后的步行能力變化.

1 對象與方法

1.1 研究對象

入選標準:1)年齡20～65歲;2)符合ASIA殘損分級診斷標準[19],ASIA分級為C～D,伴有雙下肢運動功能障礙;3)入選前,SCI患者應已接受相應臨床治療或內固定等手術治療,經X線確定脊柱穩定,生命體征平穩;4)入選時SCI病程2～6月; 5)患者簽署知情同意書.

排除標準:1)雙下肢肌張力改良Ashworth分級≥2級;2)伴有精神癥狀、聽力障礙、理解障礙者;3)患有其他影響步行能力的神經肌肉或骨關節疾病;4)患有限制患者活動能力的合并癥或并發癥,如直立性低血壓、下肢深靜脈血栓形成、嚴重心肺疾病等;5)體重＞135kg,身高＞200cm,大腿長度＜35cm或＞48cm.

選取2014年1月～2016年1月于重慶醫科大學附屬第一醫院康復醫學科住院治療的符合上述標準的不完全性SCI患者共16名,按照隨機數字表法,奇數者納入試驗組,偶數者納入對照組,每組各8位.2組患者的性別(χ2=0.417,P=0.519)、年齡(P=0.246)、入組時病程(P=0.910)、損傷節段(χ2=4.499,P=0.480)、損傷程度(χ2=0.292,P=0.589)、導致SCI的疾病種類(χ2=2.773,P=0.428)等一般資料經統計學分析,差異均無統計學意義(P＞0.05),具有可比性,詳見表1.

1.2 治療方法

兩組均接受常規康復治療,每日1次,每次60min,每周5次,共12周,具體治療包括下肢牽伸訓練、下肢肌力及關節活動度訓練、坐位及跪位平衡訓練、站立訓練、下肢肌電生物反饋治療、矯形器的使用.

對照組在常規康復治療基礎上進行地面步行訓練,包括平衡杠內、使用輔助器具下的地面步行訓練,每日1次,每次30min,每周5次,共12周.

試驗組在常規康復治療基礎上進行康復機器人輔助步行訓練.

本研究中使用的康復機器人為外骨骼式的A3步行康復機器人(產品型號:A3步行康復機器人;生產廠家:廣州一康醫療設備實業有限公司;產地:廣州).A3步行康復機器人(如圖1所示)主要由下肢外骨骼式矯正器、懸吊減重系統和醫用跑臺組成. A3步行康復機器人可對髖關節和膝關節活動范圍、步態偏離量、雙下肢的引導力、減重量和運動速度等參數進行調整,并通過計算機在訓練過程中進行實時控制.此外,外骨骼式矯正器的髖膝關節裝有位置和力量感受器,以利于治療師通過計算機屏幕了解患者的運動表現,同時也可以通過電腦屏幕將運動情況實時反饋給患者.

表1 2組患者一般資料比較Table 1 The comparison of general data between the control and test groups

圖1 A3步行康復機器人Fig.1 A3 walking-rehabilitation robot

康復機器人輔助步行訓練:訓練前,首先利用懸吊減重系統對患者進行懸吊,通過胸腰部綁帶來實現患者部分體重的支撐.在懸吊狀態下利用3個可調節的固定帶將患者雙下肢固定于外骨骼式矯正器的機械臂上,同時使用足部升降帶固定患者的雙側踝關節于中立位,當患者在邁步時可被動地引起踝背屈.訓練時,設定減重量、機械臂引導力及步行速度,減重量一般從體重的30%～50%開始,機械臂引導力則一般從80%～100%開始,起始步行速度一般為0.9～1.0km/h.在后續訓練中,治療師根據患者的運動能力(包括下肢肌力、步行訓練時患者下肢主觀用力情況及足尖與跑臺間有無擦掛、步行偏離量等)調整上述參數,以保證患者訓練過程中步行軌跡及步行節律基本正常.每次訓練30min,每日1次,每周5次,共12周.

1.3 評定標準

2組患者于治療前、治療4周后、治療8周后、治療12周后分別進行LEMS及WISCI II[20]評定.評定由不參與2組患者治療的兩位治療師獨立完成, LEMS采用兩位治療師評定的均值,WISCI II則采用兩位治療師評定結果中偏低的一位[20].

LEMS:采用ASIA《脊髓損傷神經學分類國際標準(2011年修訂)》中的運動項目評分方法[19]對患者下肢運動功能進行評定,下肢運動功能評分雙側總分為50分.

WISCI II:由脊髓損傷步行指數I于2001年修訂而形成,根據步行能力損傷的程度,以患者步行10m距離時所需要的設備、矯形器和身體幫助為基礎,將步行能力分為21級(0級～20級),級別越高,步行能力損害程度越低[20].

1.4 統計學分析

本研究所得計量資料以 (ˉx±s)表示,采用SPSS22.0版統計學軟件包進行數據處理.患者一般資料中的計數資料組間比較采用χ2檢驗,一般資料中的計量資料組間比較采用成組設計t檢驗,兩組患者治療前、后所得計量資料(LEMS及WISCI II)的組內比較及組間比較采用單變量重復測量方差分析,P＜0.05表示差異具有統計學意義.

2 結果

所有患者均完成12周訓練及共計4次評定.

2.1 治療前兩組患者LEMS及WISCI II的比較

治療前對照組及試驗組LEMS分別為19.625±8.193、15.125±12.287,兩者差異無統計學意義(F=0.743,P=0.403,見表2),而WISCI II分別為0.500±0.535、2.250±3.882,兩者差異無統計學意義(F=1.595,P=0.227,見表3).

表2 2組患者LEMS比較Table 2 The comparison of LEMS between the control and test groups

表3 2組患者WISCI II比較Table 3 The comparison of WISCI II between the control and test groups

2.2 兩組患者治療前后LEMS的比較

治療前后4個不同時間點上,對照組及試驗組的LEMS不完全相同,差異具有統計學意義(F=22.996,P=0.000).對照組LEMS在治療4周后、8周后及12周后分別為21.750±7.797、23.000±7.856、24.125±7.736,與治療前比較,均有提高,且差異具有統計學意義(P=0.031,P=0.011,P=0.005).試驗組LEMS在治療4周后、8周后及12周后分別為18.875±13.830、20.750±14.665、22.750±15.276,與治療前比較,均有提高,且差異具有統計學意義P=0.001,P=0.001,P=0.005),詳見表2.

2.3 兩組患者治療前后WISCI II的比較

治療前后4個不同時間點上,對照組及試驗組的WISCI II不全相同,差異具有統計學意義(F=22.831,P=0.000).對照組WISCI II在治療4周后、8周后及12周后分別為2.500±1.414、5.500±3.162、7.250±4.234,與治療前比較,均有提高,且差異具有統計學意義(P=0.003,P=0.003,P=0.003).試驗組WISCI II在治療4周后、8周后及12周后分別為7.500±7.387、10.875±6.664、13.750±5.036,與治療前比較,均有提高,但治療4周后與治療前比較差異無統計學意義(P=0.138),而治療8周后及12周后分別與治療前比較,差異具有統計學意義(P=0.022,P=0.003),詳見表3.

2.4 治療后兩組患者LEMS及WISCI II的比較

治療4周后、8周后及12周后,試驗組LEMS稍低于對照組,但差異無統計學意義(F=0.262,P=0.616;F=0.146,P=0.708;F=0.052,P=0.824),詳見表2;治療4周后及8周后,試驗組WISCI II均較對照組有所提高,但差異無統計學意義(F=3.535,P=0.081;F=4.248,P=0.058),治療12周后,試驗組WISCI II高于對照組,且差異具有統計學意義(F=7.809,P=0.014),詳見表3.

3 討論

有研究顯示,SCI后神經功能自發恢復主要在前2個月,3～6月則恢復明顯減慢[23].為了了解RAGT對ISCI患者步行能力的影響,避免SCI后的自發恢復干擾,在本次研究中選擇入組時病程為2～6月的SCI患者作為研究對象.本次研究結果發現,發病2～6月的ISCI患者經RAGT后,LEMS及WISCI II均有提高,表明患者下肢肌力及步行能力有改善.這與國內外自身前后對照研究的結果相一致[8?11].而本次研究中對患者進行12周的RAGT,每4周進行一次評定,以發現RAGT對ISCI患者步行能力影響的時效關系.本研究顯示RAGT訓練4周后,患者的WISCI II雖然有所提高,但并不明顯,而訓練8周及12周后,WISCI II改善則較為明顯,并具有統計學意義.這表明對ISCI患者進行RAGT,需至少進行8周或以上的訓練才有可能獲得步行能力的改善.這與國內外研究結果相似[8?11,13].但近期有研究發現,RAGT訓練4天后,SCI患者的6分鐘步行距離及10米步行時間即有提高,并且在治療結束后1周內仍有改善[14].我們認為這與不同研究使用不同的評價標準及患者具體運動功能不一致有關.本次試驗中使用LEMS及WISCI II來反映患者的步行能力,而非限時步行試驗類的評價指標.有研究顯示WISCI II與限時步行試驗的相關性在SCI傷后早期,尤其前1個月內較高,而此后相關性下降[20].而兩研究中患者入組時病程并不一致.同時,本研究中所納入的患者損傷平面更高,且運動功能水平相對較差,在入組時不具備進行限時步行試驗的能力.這些都有可能引起研究結果的差異.

目前步行訓練有地面步行訓練、BWSTT及RAGT.由于RAGT可為患者提供安全、重復、高強度、較長時間的訓練,能及時提供足夠的反饋信息,并允許患者在病情穩定后盡早開始訓練[1],其應用正逐步增多.但RAGT是否優于前兩者,目前尚不明確[7,17?18].本次研究表明,ISCI患者進行常規康復治療下,經地面步行訓練或RAGT后,患者LEMS及WISCI II均有改善,但是RAGT并不完全優于地面步行訓練,與Labruyre等[21]的研究相似.我們認為可能與本研究使用的機械臂引導力偏大有關,使患者自主最大用力減小,從而影響下肢肌力的恢復.同時有研究顯示,ISCI患者進行RAGT,使用抗阻訓練方式與使用助力訓練方式相比,前者更能提高患者的步行耐力、速度及步行能力[13,22].結合本次研究與其他研究,這說明在RAGT訓練過程中,應盡可能地發揮患者自主最大用力,根據患者的自主最大用力情況適當調整引導力.盡管本次單盲隨機對照研究發現RAGT在提高肌力上與地面步行訓練比較并無明顯差異,但經過更長時間的訓練后,RAGT在改善步行能力上優于地面步行訓練,這與Alcobendas-Maestro等[13]的隨機對照試驗類似.目前認為RAGT提高ISCI患者的步行能力,與其可提供下肢重復負重步行訓練有關.RAGT訓練時,不斷進行的節律性下肢負重步行,可向中樞神經系統不斷地提供多種有關步行的感覺刺激,促進中樞神經系統對不同感覺輸入的整合,并增強脊髓內的中樞模式發生器(Central pattern generator, CPG)的功能,從而加強主動肌及拮抗肌的協調運動,產生節律性步行[6,9,24?25].

4 結論

通過本研究,我們發現使用A3步行康復機器人進行的RAGT可以提高ISCI患者的下肢肌力及步行能力,而RAGT在提高肌力上與地面步行訓練相比并無明顯差異,但在改善步行能力上,12周訓練后,RAGT優于地面步行訓練.但本研究仍存在樣本量少、缺乏長時間隨訪等缺點,同時如何確定RAGT最佳治療參數仍然是治療中的一大問題,為進一步了解RAGT對ISCI患者的下肢肌力及步行能力的影響,仍需進行更大樣本量及不同治療參數設置的研究,同時通過完善治療后隨訪了解RAGT的長期治療效應.

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林海丹重慶醫科大學康復醫學與理療學專業博士研究生.2010年獲四川大學碩士學位.主要研究方向為脊髓損傷的康復.E-mail:hopelam@126.com

(LIN Hai-DanPh.D.candidate in physical medicine and rehabilitation at Chongqing Medical University.She received her master degree from SichuanUniversity in 2010.Her main research interest is rehabilitation in spinal cord injury.)

張 韜湖南中醫藥大學康復治療學本科生.重慶醫科大學附屬第一醫院康復醫學科物理治療師.主要研究方向為步態分析及步行功能重建,動作分析技術.

E-mail:van_mozart@foxmail.com

(ZHANG TaoUndergraduate in rehabilitation therapy at Hunan University of Chinese Medicine and physical therapist in the Department of Rehabilitation Medicine, the First Afliated Hospital of Chongqing Medical University.His research interest covers gait analysis,reconstruction of walking function and motion analysis technology.)

陳 青重慶醫科大學附屬第一醫院康復醫學科醫師.于2015年在重慶醫科大學獲得醫學碩士學位.主要研究方向為脊髓損傷的康復,光動力療法.

E-mail:cqcq20123634@163.com

(CHEN QingPhysician in the Department of Rehabilitation Medicine, the First Afliated Hospital of Chongqing Medical University.She received her master of medicine degree from the Chongqing Medical University in 2015.Her research interest covers rehabilitation in spinal cord injury and photodynamic therapy.)

李宏偉重慶醫科大學附屬第一醫院康復醫學科物理治療師.于2014年在香港理工大學獲得理學碩士學位.主要研究方向為運動損傷的預防及物理治療.

E-mail:lhwlove@163.com

(LI Hong-WeiPhysicaltherapist in the Department of Rehabilitation Medicine,the First Afliated Hospital of Chongqing Medical University.He received his bachelor degree from the Hong Kong Polytechnic University in 2014. His research interest covers prevention and physiotherapy in sports injury.)

白定群醫學博士,重慶醫科大學附屬第一醫院康復醫學科副主任醫師.主要研究方向為脊髓損傷的康復.本文通信作者.

E-mail:baidingqun2014@163.com

(BAI Ding-QunDoctor of medicine,associate chief physician in the Department of Rehabilitation Medicine,the First Afliated Hospital of Chongqing Medical University.His main research interest is rehabilitation in spinal cord injury.Corresponding author of this paper.)

Efect of Robot-assisted Gait Training on Walking Ability in Patients with Incomplete Spinal Cord Injury

LIN Hai-Dan1ZHANG Tao1CHEN Qing1LI Hong-Wei1BAI Ding-Qun1

In order to determine the efect of robot-assisted gait training(RAGT)on walking ability in patients with incomplete spinal cord injury(ISCI),16 patients were randomly grouped into either the control group receiving conventional rehabilitation and over-ground training or the test group receiving conventional rehabilitation and RAGT.Low extremity motor score(LEMS)and walking index for spinal cord injury II(WISCI II)were evaluated before treatment and after 4-week,8-week and 12-week treatment,respectively.Both the LEMS in the two groups signifcantly increased after 4-week,8-week and 12-week treatment(P＜0.05),but no signifcant diferences were found between the two groups (P＞0.05).The WISCI II in control group were signifcantly improved after 4-week,8-week and 12-week treatment(P＜0.05),while the values for WISCI II in test group were signifcantly improved after 8-week and 12-week treatment(P＜0.05).But only after 12-week treatment,the WISCI II in test group was signifcantly greater than that in control group (P＜0.05).In conclusion,RAGT might be not superior in improvement of muscle strength,but be superior in increase of walking ability when compared to over-ground training.

Robot-assisted gait training(RAGT),over-ground training,spinal cord injury(SCI),walking ability

林海丹,張韜,陳青,李宏偉,白定群.康復機器人輔助步行訓練對不完全性脊髓損傷患者步行能力的影響.自動化學報,2016,42(12):1832?1838

Lin Hai-Dan,Zhang Tao,Chen Qing,Li Hong-Wei,Bai Ding-Qun.Efect of robot-assisted gait training on walking ability in patients with incomplete spinal cord injury.Acta Automatica Sinica,2016,42(12):1832?1838

2016-02-27 錄用日期2016-08-15

Manuscript received February 27,2016;accepted August 15, 2016

重慶市集成示范計劃項目(cstc2015jcsf10012)資助

Supported by Integrated Demonstration Project of Chongqing (cstc2015jcsf10012)

本文責任編委王衛群

Recommended by Associate Editor WANG Wei-Qun

1.重慶醫科大學附屬第一醫院康復醫學科重慶400016

1.Department of Rehabilitation Medicine,the First Afliated Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing 400016