下肢外骨骼康復機器人在腦卒中康復中的應用研究*

王 靜, 陸蓉蓉, 白玉龍

復旦大學附屬華山醫院 康復醫學科 上海 200040

1 下肢外骨骼機器人原理

腦卒中是導致殘疾的主要原因之一。隨著醫療護理及醫療技術的提高,腦卒中后患者的存活率越來越高[1],而這同時提高了腦卒中的致殘率[1-2]。其中,肢體運動功能障礙增加了腦卒中后患者及家庭的沉重負擔,嚴重影響患者的日常生活。因此,如何有效提高腦卒中后患者步行能力及日常生活活動能力,成為腦卒中康復研究的主要目標[3-4]。

基于神經康復理論,腦卒中后患者可以通過專業康復訓練來恢復肢體功能[5]。下肢康復機器人將機器人技術應用于下肢運動功能障礙者[6]。近年來,隨著康復機器人技術的迅速發展,各種各樣的機器人已被廣泛應用于臨床康復治療中[7-8]。目前,應用于下肢運動訓練的康復機器人設備類型可以分為外骨骼型和末梢-效應器型。筆者就下肢外骨骼康復機器人做簡要介紹。

外骨骼機器人是一種可穿戴于人體上的機器人設備,將人工智能系統和機械裝置結合為一體[9]。下肢外骨骼康復機器人是一種康復設備結合計算機技術的新型設備,可提供支撐體重、防摔倒功能,用于幫助下肢運動功能障礙患者提高步行能力。這一設備的軸線與穿戴者的解剖軸線一致,直接控制患者的各關節,進而可最大限度避免異常姿勢或運動情況[10]。采用減重方式,患者步態受外骨骼移動控制,步態模式較接近于正常人,這樣在偏癱早期即給患者輸入正常的步行模式,使患者在不具備步行能力的情況下進行步行訓練,進而使患者盡早具有行走的體驗,以便能有效利用病情穩定后最有恢復潛能的一段時期。患者隨著外骨骼的擺動進行步態訓練,可以促進正常步態恢復,保持步行的協調性及穩定性。

2 下肢外骨骼康復機器人發展歷史

最初,外骨骼機器人被用于步態障礙的康復,以促進上肢運動功能的恢復[11]。Rahman等人于2006年研發的第一代下肢外骨骼機器人是被動型的,無論患者做什么,該設備均可使患者身體移動到一個預定的軌跡上[12-13]。2010年,Kao等研究人員觀察到,當穿戴被動型步態輔助外骨骼設備行走時,患者的髖部、骨盆和腿部運動模式保持不變,從而減少了所需的肌力消耗[13]。這一發現促使Quintero等人于2012年研究出第一個主動型外骨骼機器人,該機器人可按照患者意愿向同一方向移動[14]。與人體骨骼不同,外骨骼從外部支撐體重,使患者能夠直立、自主活動,加強和改善下肢自主運動的協調性。這種技術相比其它神經元技術,如機器人輔助步態訓練,具有更大的生態學效度,穿戴外骨骼設備的患者可以更長時間自主行走和移動[15]。

3 下肢外骨骼康復機器人典型產品

3.1 Lokomat

Lokomat于1999年由瑞士Hocoma醫療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫學院康復中心合作研制[16],是目前臨床上最具代表性的下肢外骨骼康復機器人,也是第一套能輔助下肢運動功能障礙患者進行減重步行訓練的機器人。Lokomat基本結構包括髖關節和膝關節表面的動力步態矯形器、體重支撐系統、運動跑臺。外骨骼可驅動患者腿部在矢狀面上實現步態運動,四個旋轉關節可驅動髖關節、膝關節做屈伸動作。Lokomat被廣泛應用于多種運動功能障礙的康復中,幫助患者改善運動功能,包括步態、平衡及肌力等,尤其是在急性和亞急性期。此外,Lokomat還具有人工智能裝置,可實現人機協調性康復訓練。

3.2 Lokohelp

Lokohelp是2008年由德國公司開發和生產的一種步態訓練機器人,屬于由跑臺驅動而非外部設備驅動的下肢矯形器系統,由跑臺裝置、減重支撐裝置、步態分析評估裝置、安全報警及生命體征監測裝置四部分組成[17]。在Lokohelp的輔助訓練下,患者可主動步行,主動伸膝關節、髖關節,不僅可用于基本的步態康復訓練,而且可以幫助患者完成下坡運動,對步態功能訓練有明顯的改善作用。此外,具有易組裝、拆卸、調整特性的Lokohelp,可以在不同坡度上進行康復功能訓練,主要用于臨床上非早期階段的步態功能訓練,可顯著降低參與者的人力及體力消耗。

3.3 HAL

HAL是2009年由日本筑波大學和賽博達因機器人技術公司聯合研發的可穿戴式下肢康復機器人[18],是世界上第一個生物體型機器人。HAL充分利用使人力、機械、信息技術相融合的生物體機器人控制論[19],屬于由自發控制系統和自主控制系統構成的混合系統。自發控制系統可通過生物電信號完全控制HAL,自主控制系統自動產生可反映人體活動特點的運動模式[18]。HAL的腿部結構通過直接放置在關節上的諧波驅動器直流電機為髖關節和膝關節的屈曲、伸展提供動力。踝關節屈曲、伸展自由度是被動的。下肢組件通過帶有地面反作用力傳感器的特殊鞋,以及小腿和大腿上的線束、寬腰帶與穿戴者接觸。HAL可以提高步行速度和步幅長度,因此可用于患者的步態訓練。嚴重偏癱患者使用HAL,不僅有助于改善行走能力,而且有助于在移除HAL后走路時采用新的步態模式[19]。

3.4 H2

H2是西班牙Technaid等人研究的一種新型下肢外骨骼康復機器人[20]。這一機器人屬于輕量級電池供電設備,專為臨床環境中的地面步態訓練而設計。H2設置了具有六個自由度的雙邊佩戴裝置,其中髖關節、膝關節和踝關節是驅動關節。一般非固定型外骨骼康復機器人無踝關節驅動,對于腦卒中后患者的步態功能康復而言,足下垂在大多數患者中很常見,因此踝關節驅動對解決足下垂問題至關重要,這也是H2特有的優勢。此外,H2具有舒適、輕便、結構堅固的特點。外骨骼框架包括大腿、小腿、鉸鏈髖關節、膝蓋、腳踝,以及鉸接腳板和腰部的雙向支撐。

3.5 LOPES

LOPES是2007年由荷蘭特溫特大學生物醫學技術研究所Veneman等人設計的一種步態功能康復下肢外骨骼機器人[21],結合了一個可自由伸縮的二維感應式骨盆段與包含三個可驅動旋轉關節的下肢外骨骼,其中兩個在髖部,一個在膝部。關節受阻抗控制,使機器人和訓練對象之間產生雙向機械作用。評估測試結果表明,LOPES有患者主導和機器人驅動模式,這兩種模式下機器人可分別被控制跟隨及引導患者步行。

3.6 ReWalk

2012年,以色列ReWalk Robitics公司開發了ReWalk[22]。ReWalk包括電動外骨骼裝置、計算機控制器、可接觸地面的傳感器及電池單元,電池和主機都有一個內置的備份系統[23]。外骨骼具有大腿、小腿及鉸接膝關節的雙側外部支撐,分別鉸接至腳板和向近側的骶骨帶。ReWalk使用閉環算法軟件控制。髖關節和膝關節的運動受電機控制,腳踝則使用彈簧輔助背屈的機械關節鉸接。由于運動的激活是在患者自我控制和啟動之下進行的,因此ReWalk比普通的機器人驅動控制更安全。軟件設計方面,ReWalk可以防止患者在發生摔倒時臀和膝關節的快速屈曲,并可控制由站到坐的速度。站立和行走期間,患者的穩定性和安全性通過并行使用的拐杖、步行器、爬樓梯欄桿等步行助推器來實現。

3.7 Ekso

Ekso Bionics機器人公司研發和制造的Ekso外骨骼康復機器人[24],具有使用電池供電的外骨骼,能幫助下肢癱瘓的患者進行步行活動。Ekso由電機和傳感器組合而成,通過幫助患者身體平衡和定位,使患者能夠以高效互惠的步態模式在地面上行走。軀干和腿帶的設計用于患者獨立或在略微幫助的情況下較容易地進出Ekso。

3.8 WA-H

WA-H是2014年由韓國首爾HEXAR公司專為腦卒中后偏癱患者研發的一種價格便宜的便攜式可穿戴式步態輔助機器人[25]。使用WA-H進行步態訓練,可以改善神經功能障礙患者的平衡性和運動協調性。WA-H在步態訓練期間主要在矢狀面上運動,因此使用電機輔助膝關節和髖關節在矢狀面上運動。此外,在冠狀面上,通過被動髖關節可用于追蹤患者的關節運動情況,以便在步行期間實現質心偏移,并可用于調整和配合關節的位置。踝關節借助彈簧附件以輔助踝關節背屈和防止足下垂。WA-H相比原有的Lokomat等機器人,質量更輕,并可隨時進行安裝和使用,且不需要額外的設備,實用性更強。

3.9 SMA

SMA是由日本本田研發公司開發的新型可穿戴式外骨骼機器人[26]。SMA可提高步行能力,增強老年人和步行功能障礙患者的社區活動能力、社會交往能力。SMA穿戴于髖關節周圍,在每個髖關節處提供獨立、主動的屈曲和伸展動力,以輔助患者步行。Carolyn等人研究表明,應用SMA和功能導向性特殊訓練干預措施,可明顯改善時空步態參數。可見,SMA是一種較好的輔助治療工具,有助于改善腦卒中后患者的運動功能。

4 臨床應用研究

目前臨床上研究的最具代表性的下肢外骨骼康復訓練機器人是Lokomat和HAL。因國內外對其它機器人的臨床應用研究報道較少,故以下著重分析上述兩種代表性下肢外骨骼康復機器人在臨床應用中的研究。

4.1 Lokomat

國內外對于Lokomat的臨床應用研究已有很多[27-32]。Chang等人[10]研究了機器人輔助治療在腦卒中康復中的應用,選擇十項隨機對照試驗,分析Lokomat下肢康復機器人輔助治療對亞急性期、慢性期腦卒中后患者步行功能的影響[33-42]。2007年的兩項試驗結果表明,Lokomat輔助治療對提高腦卒中后患者步態功能的效果優于傳統物理治療[33,43]。這兩項試驗招募病人數量相對較少,第一項是有關亞急性期腦卒中后患者的試驗性研究[43]。隨后,2008年Hornby等人[34]的研究結果表明,傳統康復治療對改善慢性期腦卒中后患者步行功能的效果優于Lokomat輔助治療。Hidler等人[35]在一項多中心、隨機試驗中也對機器人輔助治療在提高亞急性期腦卒中后患者步態功能方面的效果進行了研究,結果表明,與傳統多樣性步態訓練相比,機器人輔助訓練對提高患者步行能力的效果較差。因此,上述研究均認為在同等訓練強度下,傳統治療相比Lokomat等外骨骼康復機器人輔助治療,能更有效提高腦卒中后患者的步態功能。其它研究結果顯示,傳統物理治療結合機器人輔助訓練改善腦卒中后運動功能障礙者的步態功能,優于單獨的傳統治療,尤其是對亞急性期腦卒中后患者而言[36-39]。2009年,Schwartz等人[40]實施了一項大樣本臨床試驗,研究結果表明,機器人設備結合常規物理治療與單純的常規治療相比,在亞急性期腦卒中后患者的步態功能康復治療中具有更好的療效。因此,Lokomat等外骨骼康復機器人或許不能替代傳統物理治療以提高腦卒中后患者的步態功能,但是可與傳統物理治療結合起來幫助腦卒中后患者康復,尤其是對于亞急性期腦卒中后患者而言。然而,對于慢性期腦卒中后運動功能障礙者,機器人改善步態功能的療效研究還不是很充分。

4.2 HAL

Louie等研究人員[44]在研究動力型外骨骼機器人對亞急性期及慢性期腦卒中后患者的步態功能康復中,選擇了八項試驗來研究動力型下肢外骨骼康復機器人輔助治療對亞急性期、慢性期腦卒中后患者步行功能的影響。

在四項亞急性期腦卒中研究中,只有一項是隨機對照試驗[19],表明使用HAL的患者與常規傳統治療步態康復相比,在功能性步行分級評分方面有顯著改善。然而,研究發現HAL干預和常規治療對于步速或耐力之間的差異并不顯著。一項小型前后對照的亞急性期腦卒中研究也發現,亞急性期患者在外骨骼機器人輔助步態訓練后的功能性分級評分有顯著提高[45]。在亞急性期腦卒中的其它兩項前后對照研究中[46-47],患者僅經過一段時期康復訓練,步行速度即可得到改善。

在其它四項慢性期腦卒中研究中,由50名志愿者參與的隨機對照試驗結果表明[48],訓練時間相一致的穿戴外骨骼機器人訓練組參與者在提高步速方面無顯著性差異。相比之下,非隨機對照試驗結果發現[49],與常規物理治療相比,使用HAL訓練后的步行速度和功能性移動時間有顯著變化,且在臨床上有顯著意義。然而,對照組沒有經歷等量的訓練時間。在另外兩項小樣本后期研究中,每項研究都有三名參與者,研究結果不一致[50-51]。在其中一項前后對照研究中[50],通過使用6 min步行測試評估,顯示參與者在耐力方面得到了明顯改善。兩項小樣本前后對照研究[50-51]中,三名參與者在功能性移動時間方面得到了明顯改善。使用0.06～0.14 m/s的極小臨床重要差異評估,結果顯示參與者在步速方面的提高具有臨床意義[52]。

4.3 小結

綜合相關研究結果顯示,下肢外骨骼康復機器人或許不能替代傳統物理治療以提高腦卒中后患者的步態功能,但是可與傳統物理治療相結合,以輔助治療亞急性期腦卒中后患者的步態功能康復。另一方面,外骨骼機器人與傳統物理治療相比,對慢性期腦卒中后患者的步態功能康復在臨床上無顯著差異[10]。此外,由于目前臨床上的研究均是小樣本研究,因此需要實施大樣本、設計嚴謹的試驗研究,以表明下肢外骨骼康復機器人是否能夠更有效地促進腦卒中后患者整體康復。

5 下肢外骨骼康復機器人優缺點

5.1 在運動訓練中的優勢

相比傳統康復治療,下肢外骨骼康復機器人可以輔助肢體進行高強度、高重復性康復訓練,從而促使腦卒中后患者的神經控制機制重建,最終改善患者肢體運動功能。下肢外骨骼康復機器人具有精確性、靈活性及柔性特點,可實時準確調整運動參數與力學參數。此外,為了增強患者的積極主動參與性,現已研發出結合虛擬現實等多媒體技術的康復機器人系統,使康復訓練過程充滿樂趣,從而使康復治療效果更佳。患者可以以較低的心率、較少能量的消耗進行長時間訓練,提高耐力。吊帶及固定帶的保護,增強了訓練的安全性。下肢外骨骼康復機器人具有運動、防護、支撐三項功能,可以輔助患者改善各種運動功能,并可以應用于更廣泛的環境中。

5.2 在腦卒中康復中應用的局限性

目前,下肢外骨骼康復訓練機器人的研究尚處于發展階段,仍存在諸多問題,包括結構復雜、控制難度較大、價格昂貴等。下肢外骨骼康復機器人的機械結構和控制系統仍不夠完善,對患者關節角度、力矩、速度等缺乏實時準確控制。大多數機器人訓練模式比較僵化,患者主動參與性仍較差,僅依賴于機器人完成訓練,進而極大影響了康復訓練效果。最重要的是,下肢外骨骼康復機器人對腦卒中后不同階段康復訓練的持續時間和治療強度尚無定論。

6 應用展望

隨著社會老齡化趨勢加重,腦卒中發病率逐年提高,致殘率隨之增高,這使康復機器人顯示出較大的實用價值。動力型下肢外骨骼康復機器人代表一種相對較新的技術,目前臨床試驗表明,動力型下肢外骨骼康復機器人能夠安全有效地用于亞急性期和慢性期腦卒中后患者的步態訓練干預[44]。下肢外骨骼康復機器人可以使患者克服在輪椅上無法應對的環境條件,如爬樓梯等。此外,還可以在更廣泛的環境中使用,如工作場所、家庭及康復醫院等,并幫助患者進行日常生活活動。可見,隨著科技的不斷進步與發展,下肢外骨骼康復機器人的機械結構和控制系統將不斷提升與改進。相信在不久的將來,下肢外骨骼康復機器人輔助治療對腦卒中后患者不同階段的步態功能會有顯著改善作用。