人工智能應用于腦卒中患者下肢功能障礙的研究進展

張萌琦, 楊繼鵬， 魏文彤綜述， 劉璟瑩審校

腦卒中(cerebral stroke，CS)又稱為中風，是一種由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞而引起腦組織損傷的疾病。目前，腦卒中發(fā)病率逐年升高，發(fā)病平均年齡逐年降低，據(jù)統(tǒng)計，腦卒中病死率可達10%～30%，致殘率則高達60%～70%。腦卒中患者往往表現(xiàn)出肢體功能障礙，尤以步行障礙和偏癱多見。肢體運動障礙尤其是下肢運動障礙對患者的生活質量以及患者家屬的心理狀態(tài)影響較大[1]。

隨著科技發(fā)展，人工智能應運而生，在醫(yī)學領域發(fā)揮巨大作用。人工智能(artificial intelligence,AI)通常是指模擬人類智能的一種計算機技術[2]。腦卒中后下肢功能障礙的恢復一般由治療師指導完成，操作復雜、效率低并且消耗大量人力物力。人工智能的應用更易于患者下肢功能的康復，療效更佳且節(jié)省人力物力[3]。目前臨床上應用人工智能于腦卒中患者下肢功能的康復擁有廣泛前景[4]。

1 人工智能應用于腦卒中下肢功能障礙的歷史發(fā)展

目前，醫(yī)學領域的下肢功能康復機器人許多應用人工智能技術，以求更好的診斷、治療和康復效果。腦卒中患者由于中樞神經系統(tǒng)受損、肌張力下降和下肢各關節(jié)活動受限等，使患者出現(xiàn)站立時間變短、難以保持平衡等非正常運動模式。下肢康復機器人應運而生，20世紀80年代是下肢機器人的萌芽階段，美國、英國等發(fā)達國家最先將其應用于醫(yī)學領域，90年代后期，下肢康復機器人被許多發(fā)達國家廣泛接受并不斷發(fā)展。21世紀以來，下肢康復機器人已經被大規(guī)模應用于醫(yī)院以及社區(qū)等地，并因為其高效率、簡便性等特點被普通大眾所廣泛接受并不斷擴大其應用面，促進其與人工智能結合的研究進展。下肢康復機器人可以為患者提供一定支撐力，減少腦卒中后下肢功能障礙患者腿部壓力，并且發(fā)揮患者腿部剩余功能，即“助其自助”。

2 應用于腦卒中下肢功能障礙人工智能的分類

導致患者發(fā)生腦卒中的因素很復雜，依靠傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及建模很難做出患病預測，隨著科技進步，AI應運而生并且日臻完善，可納入更多樣本量和數(shù)據(jù)，為構建更準確的預測模型打好基礎。

2.1 下肢輔助步行康復機器人 羅玲華等[5]利用Breg平衡量表對腦卒中患者平衡能力進行評定；利用Holden功能性步級分級法對腦卒中患者步行能力進行評定，并利用常規(guī)康復訓練(對照組)與在常規(guī)康復訓練基礎上采用下肢康復機器人進行訓練(觀察組)進行對比，得出結論：觀察組Breg平衡量表和Holden功能性步級分級法的評分改善程度明顯優(yōu)于對照組。證明基于下肢康復機器人的康復訓練，可以顯著提高腦卒中患者的平衡能力，促進患者下肢功能的康復，同時使患者伸膝肌群力、屈髖肌群力顯著提高，有助于患者正常步態(tài)模式的形成。

下肢輔助步行康復機器人應用于腦卒中患者下肢功能康復的便捷和有效是有目共睹的，但目前它的應用仍存在不足，如何克服機器人的機械性、增強其靈活變通性是目前所面臨的最大問題。

2.2 下肢外骨骼輔助步行機器人 下肢外骨骼機器人Lokomat由減重系統(tǒng)、驅動式步態(tài)矯形器、平行四邊形機構成[6]。它將患者身體作為支撐點用機械腿帶動患者完成大量且重復的常規(guī)步態(tài)訓練，讓患者在康復訓練初期即建立正確的運動習慣與方式，為今后正常行走發(fā)揮重要作用。據(jù)研究表明，人腦具有可塑性，大腦可塑性指人腦通過重組其結構、功能和聯(lián)系來適應變化和環(huán)境刺激的能力[7]。因此，給予一定程度的刺激和反復重復訓練可以促進大腦皮質的重新形成，幫助患者重新接納正確的運動習慣和方式。據(jù)Boonstra研究表明[8]腦卒中患者在Lokomat引導下行走時，肌肉的振幅較低，故相比常規(guī)康復訓練更適合用于腦卒中后下肢功能患者的康復訓練。實驗數(shù)據(jù)表明，應用下肢外骨骼機器人的腦卒中患者相較常規(guī)治療的患者，肌力恢復快，康復進程加快，效率高，從而可以盡快提高患者生活質量。

外骨骼機器人不僅可以為腦卒中患者提供步行體驗，還可以讓患者決定以何種方式移動、在哪里移動、何時移動以及如何與周圍環(huán)境進行交流互動。由患者決定移動的姿勢和直立的探索空間的能力[9]。但是Lokomat下肢外骨骼機器人易忽略患者踝關節(jié)的參數(shù)設置和踝部肌肉用力反饋情況，可能會影響部分踝關節(jié)存在問題的腦卒中患者的康復訓練，足下垂助行儀的出現(xiàn)解決了此特殊問題。說明各種應用于醫(yī)學康復領域機器人之間可以互通有無以求更有效地為人類醫(yī)學康復領域服務，而如何將其結合應用是我們目前面臨的一個新型問題。

2.3 骨盆輔助步行康復機器人 人體骨盆不僅可以支撐軀干，還可以為下肢的驅動提供動力，對于運動的協(xié)調性和平衡發(fā)揮重要作用[10]。骨盆的有效訓練，可以提高患者下肢肌力的恢復從而促進其對下肢的控制能力，有利于患者平衡功能和日常生活能力的恢復[11]。

國外研究學者認為骨盆運動的控制是步態(tài)的基本決定因素之一。骨盆輔助步行機器人充分調動全身肌肉和關節(jié)，主要對患者骨盆和下肢進行適宜程度的康復訓練，以達到良好的康復效果，從而形成更自然的步行步態(tài)。通過機器人“柔性控制”可使患者通過穩(wěn)定軀體、有效地骨盆移動等完成正確而完整的步態(tài)，調動患者的軀體積極性和主觀能動性，對改善神經控制力和提高運動控制能力也發(fā)揮重要作用[12]。胡淑珍[13]等利用對照組患者進行常規(guī)藥物治療及康復訓練,觀察組患者在上述干預基礎上輔以骨盆輔助式康復機器人訓練進行對比，得出結論：常規(guī)康復干預基礎上輔以骨盆輔助式康復機器人訓練,能進一步提高腦卒中下肢功能障礙患者骨盆控制能力,改善步行功能及平衡能力,從而促進患者下肢運動功能恢復。

目前哪種機器人對于腦卒中患者下肢功能的康復更有意義，還有待確定，這是目前應用骨盆輔助步行康復機器人所面臨的問題。

2.4 虛擬現(xiàn)實技術聯(lián)合康復機器人 虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng);它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該真實環(huán)境中去。胡靖然等[14]認為：VR能為腦卒中患者在康復治療過程中提供身臨其境的環(huán)境體驗，提高患者的積極性與主動性，對下肢功能及平衡能力的改善有促進作用。VR被廣泛應用于醫(yī)學領域，包括疾病預防培訓、疾病診斷、康復訓練等方面，尤其在康復醫(yī)學中展現(xiàn)出了廣闊的應用前景[15]。

Bergmann J等[16]采用增強型VR結合下肢康復機器人對步行功能的功能性步行能力量表分級≤2級的亞急性腦卒中患者進行步態(tài)功能訓練4 w后得出結論如下：較常規(guī)訓練，結合VR和下肢康復機器人的訓練更易被患者接受和練習，訓練后腦卒中患者步行能力的恢復速度加快，下肢功能障礙明顯改善。國外研究數(shù)據(jù)顯示，VR對于改善腦卒中患者步態(tài)方面極其有效，也可以明顯改善腦卒中患者的平衡功能[17]。VR技術結合下肢康復機器人的訓練改善腦卒中患者的下肢運動功能障礙已經成為當下醫(yī)學康復研究領域的熱點話題。

雖然虛擬現(xiàn)實技術聯(lián)合康復機器人進行康復存在巨大潛力，但我們應清楚地認識到智能康復只是常規(guī)康復的輔助形式，常規(guī)康復的主流地位不應被遺忘[18]。

2.5 自適應平衡康復訓練裝置 自適應平衡訓練，是指根據(jù)檢測評價，系統(tǒng)根據(jù)所獲得的患者平衡狀態(tài)指標，自動動態(tài)調整提供合適輔助支持，隨狀態(tài)變化調節(jié)康復訓練難度，獲得最佳康復效果。

機械臂是當前人工智能技術的一種應用，屬于服務型機器人領域，它的應用主要是一些工廠，代替人類完成一些高難度、高精度的工作。崔向紅等人研發(fā)的自適應平衡康復訓練裝置通過聲音和動畫指示，調節(jié)機械臂的運動、踏板阻力和穩(wěn)定性和患者睜閉眼等來完成腦卒中患者的靜態(tài)平衡訓練、自動態(tài)平衡訓練和他動態(tài)平衡訓練[19]。通過重復練習，幫助腦卒中患者恢復其平衡能力。

自適應平衡康復訓練裝置聯(lián)合應用多媒體技術，設立聲音、動畫提示、攝像及激光定位裝置，有助于患者精準完成康復訓練。在不同程度的康復情況下，患者可以選擇不同模式的訓練裝置，循序漸進的提高訓練難度以求最好的康復效果[20]。

3 應用人工智能對腦卒中患者下肢功能康復的優(yōu)缺點

患者可以身臨其境，在虛擬狀態(tài)下形成的步態(tài)習慣、訓練體驗感等都更加真實，通過形成三維動態(tài)視景，可以提供受試者各種感官模擬，進行可視化操作和互動[21]。AI訓練的突出特點是環(huán)境安全性強，它可以通過精確的計算和數(shù)據(jù)傳輸智能地確定具體康復訓練計劃，讓患者康復過程既高效又安全。AI可以輕松達到反復訓練的效果，同一場景模式下進行重復訓練，以求更有效的康復效果,也可以根據(jù)患者不同的康復階段采取不同的康復訓練模式，以求最適應患者的康復進程。AI記錄和傳輸數(shù)據(jù)的速度是治療師難以達到的，它可以輕松記錄傳輸數(shù)據(jù)，讓醫(yī)生及時有效地同步患者康復信息，及時調整治療方案。

AI與下肢康復機器人的聯(lián)合應用目前處于萌芽階段，虛擬環(huán)境設備建設成本高，故在醫(yī)院和社區(qū)中的普及率很低，難以大規(guī)模投入醫(yī)療康復領域的應用中[22]。AI屬于高端前沿技術，它的突破和發(fā)展十分困難，這也是AI難以普及的原因之一，普及率低又直接造成自愿受試者少、樣本數(shù)量低，缺乏樣本數(shù)量和隨訪調查的研究很難有說服力，也難以證明其有效性[23]。

此外我認為，在大部分患者的認知里，真人醫(yī)生比VR和下肢康復機器人的聯(lián)合應用更有親和力，這從側面反映了社會文化發(fā)展與科技發(fā)展相輔相成的關系，提高國民文化水平可以一定程度上促進大家接納高新技術，從而促進科技的持續(xù)發(fā)展。還需注意的一點是：大多數(shù)臨床疾病都是動態(tài)的，不同患者的表現(xiàn)和康復進程不同，為了使每一位患者獲得最佳的治療效果，我們須根據(jù)每個患者的病程采取個性化的治療策略[24]。

4 小結與未來展望

綜上所述，人工智能對于腦卒中致下肢功能障礙患者的康復是有效的。不僅為患者提供了一種新型且高效的康復治療模式，而且充分做到了醫(yī)學發(fā)展與科技發(fā)展相結合的良性循環(huán)過程。同時人工智能應用于腦卒中致下肢功能障礙患者的康復也面臨著挑戰(zhàn)，人腦的精細程度是電腦難以比擬的，人腦的思維也絕非計算和發(fā)出指令等機械步驟，它的機械性以及可能面對的倫理問題是目前所面臨的最大問題。機遇與挑戰(zhàn)共存，從20世紀80年代下肢機器人的面世，到如今VR與機器人聯(lián)合應用等，社會在發(fā)展，科技在進步，相信隨著我們的不斷探索，問題終會被解決，人工智能也將為醫(yī)療事業(yè)做出更大貢獻。

綜上，建議：(1)在今后的研究中，應依據(jù)我國國情以及經濟和文化發(fā)展水平，建立人工智能廣泛應用于醫(yī)療康復領域的模式，使普通民眾更易接受；同時發(fā)揮人工智能技術的最大用處為人類健康服務;(2)發(fā)揮人腦主觀能動性，不可過分依賴人工智能技術，若人工智能廣泛應用于臨床腦卒中患者康復訓練中，治療師仍應該適時做出訓練計劃調整，而非過分依賴人工智能計算的結果和訓練模式，以免錯過對患者最有效的治療計劃，即做到治療師和人工智能的有機有效結合;(3)做好相關宣教，使此項技術更容易被普通民眾所接受，更好地應用于醫(yī)學康復領域，從而推動出現(xiàn)醫(yī)學康復領域和科技同步進步的雙贏畫面。