機器人輔助神經系統疾病病人康復訓練的研究進展

張博寒，任志方，王艷玲，肖 倩

首都醫科大學護理學院，北京 100069

神經系統疾病是發生于中樞神經系統、周圍神經系統和自主神經系統的，以感覺、運動、意識、智力、自主神經功能障礙為主要表現的疾病[1]。據世界衛生組織估計，全球有多達10 億人受到神經系統疾病及其后遺癥的影響[2]。隨著醫療技術不斷提高，越來越多的神經系統疾病病人存活率得到提高，然而神經系統疾病病人致殘率逐年增大。我國腦卒中患病率為1 114.8/10 萬，致殘率為86.5%[3]。肢體障礙常導致病人出現關節痙攣、疼痛等，運動耐力下降，喪失獨立性，影響病人的日常生活活動能力，生活質量嚴重下降[4]。通過及時、有效的康復訓練，可以降低病人致殘率與致殘程度，恢復病人肢體功能，改善肌肉供血，防止失用性退變，增強肌肉運動協調性和肢體平衡功能，改善病人日常生活能力[5‐6]。傳統康復手段由于重復、機械的康復訓練模式，互動性差，存在易疲勞、難堅持等問題，往往很難達到治療師或護士制定的標準，病人由于見效慢，常出現情緒變化大，消極不配合，依從性低，進而影響康復效果[7‐9]。現階段，具備高強度、針對性、重復性和實時反饋信息提供等能力的新治療模式開始被逐漸應用于神經康復領域，如康復機器人、虛擬現實技術與遠程家庭康復等[10]。康復機器人可以根據不同康復期的病人，提供高質量、個體化、差異化的訓練，激發主動運動意識，提高病人康復依從性，縮短康復時間，提高康復效果。利用配備的各類傳感器記錄人體運動學、生理學特征，為改進和優化病人康復方案提供數據支撐，使康復過程科學化、系統化、定量化，降低康復醫護人員工作強度，系統規范培訓康復技能[11]。

1 康復機器人的概念及興起

康復機器人是指具有有助于功能恢復或重建的智能化裝備，能自動執行指令任務，代替或協助人體某些功能[12]。機器人具有能模擬人的功能、自動化操作、自我反饋和學習能力及自適應能力[13‐14]。通過編程，康復機器人可以引導病人通過一系列指定的動作，并限制不需要的（或禁忌的）動作[15]。同時，機器人可以在不疲勞的情況下重復運動，并收集客觀的定量數據[15]。機器人可以通過將重復的體力任務轉化為游戲和身體挑戰，以保持病人的積極性和參與度。

神經可塑性（neural plasticity）是指神經系統在功能和結構上對內外環境變化做出自我調整的能力，神經發育和神經系統正常功能的關鍵組成部分，是中樞神經系統受到損傷后重新組織以保持適當功能的基礎[16‐18]。若腦損傷后需實現這些組織的功能和精細動作能力時，需要通過大量的功能訓練，不斷建立新的神經連接和神經網絡，腦皮質地圖實現重構，學習和獲得新的技能，或對功能損傷進行修復和代償[19‐20]。有研究表明，通過強化的、特定任務的上肢訓練，可以觀察到患側前扣帶回和輔助運動區的激活增加[21]。據王靜等[22]研究發現，通過使用上肢機器人輔助功能訓練，病人的Brunnstrom 評分得到有效提高，康復機器人通過大量的任務導向性重復訓練，使重組中大腦皮質學習和儲備了正確的運動模式，促進了肢體的功能康復。

早期康復機器人多為單自由度，運動模式單一，成本相對低廉，廣泛應用于醫療領域。1987 年，英國Mike Topping 公司成功研制出Handy1 康復機器人，協助腦癱患兒獨立用餐[23]。隨著科技不斷發展，康復機器人種類、功能隨之增加。麻省理工學院在1980 年開發出了有2 個自由度的機器人MIT‐Manus，以幫助病人肩部、肘部和手在水平、垂直平面上移動[24]。清華大學于2004 年研制的UECM，擁有2 個自由度能夠完成水平面內的康復動作訓練[25]。2009 年，哈爾濱工程大學對下肢康復訓練機器人進行了探索研制，可以輔助下肢障礙病人進行步態訓練[26]。目前康復機器人多是多功能、高自動化和多自由度的牽引式/懸掛式康復機器人。

2 康復機器人的分類

2.1 根據功能分類 根據功能可將康復機器人分為功能治療類康復機器人和生活輔助類康復機器人。

2.1.1 功能治療類康復機器人 功能治療類康復機器人主要是醫療用康復機器人，神經系統疾病功能障礙病人可以通過主動、被動的康復訓練模式，完成各項運動功能的恢復訓練，如上肢康復訓練機器人、下肢康復訓練機器人等[27]。同時，功能治療類機器人還可以與虛擬現實技術相結合，通過提高康復訓練的趣味性，來提高病人的康復訓練依從性，以達到提升康復效果的目的[28]。

2.1.2 生活輔助類康復機器人 生活輔助類康復機器人主要通過機器人提供各種生活輔助，補償替代神經系統疾病病人弱化的機體功能，幫助病人完成日常活動的一類康復機器人，如智能輪椅、智能輔助機械臂、導盲機器人、智能護理床等[29‐30]。生活輔助類機器人不僅可以作為病人部分殘缺、偏癱肢體的替代物，從而使病人能夠實現因殘缺而喪失的身體技能[29‐31]，還可以通過多種傳感器監測人體生理參數，判斷病人的生理狀況，提高病人的生活質量[32]。

2.2 根據作用機制分類 根據作用機制，康復機器人分為牽引式康復機器人和外骨骼式康復機器人。

2.2.1 牽引式康復機器人 該類機器人的主體結構是普通連桿結構或串聯結構，通過對肢體功能障礙神經系統疾病病人的肢體運動末端進行支撐、模擬步態等，使失去功能的肢體可以按照制定軌跡進行被動訓練或主動訓練，從而實現康復訓練[33]。具有代表性的末端驅動式上肢康復機器人有日本大阪大學研制的上肢康復訓練系統EMUL、美國麻省理工學院研制的上肢康復機器人MIT‐Manus、我國清華大學研制2‐DOF上肢康復機器人UECM、Hocoma 公司研制的下肢康復系統Erigo[34‐36]。

2.2.2 外骨骼式康復機器人 該類機器人是一種基于人體仿生學及人體上肢、下肢各關節運動機制而設計的，將人體和仿人型機械結構連接于一體，根據其機械結構和綁帶緊緊依附于具有功能障礙的肢體，帶動肢體功能障礙病人進行上肢、下肢的主、被動訓練的同時，可以為病人提供保護和身體支撐的作用[37‐38]。具有代表性的外骨骼式康復機器人有美國亞利桑那州立大學研制的可穿戴的上肢外骨骼氣動康復機器人RUPERT、瑞士Hocoma 公司研制的下肢康復機器人Lokomat 等[36‐37]。

2.3 根據肢體康復部位分類

2.3.1 上肢康復輔助訓練機器人

2.3.1.1 MIT‐MANUS 1991 年，美國麻省理工學院設計了針對病人肩、肘關節康復訓練的機器人MIT‐MANUS[39‐40]。通過五連桿結構，有效降低了機器人末端執行器的阻抗，利用計算機準確測量手臂的平面運動參數，通過人機交互實時反饋給病人[39]。一項單盲隨機對照試驗發現，與常規護理組相比，MIT‐MANUS可以更好地改善嚴重腦卒中病人手臂功能，且沒有出現不良事件[41]。

2.3.1.2 鏡像康復機器人（Mirror image movement enabler,MIME） 有研究者設計了MIME，通過兩個由工業機器人Puma560 操縱移動的支撐結構，實現病人手臂的平面運動和肩、肘關節的三維運動[42]。一項隨機對照試驗發現，由于MIME 可以實現三維單側、雙側運動中對偏癱肢體施力，因此與傳統療法相比，MIME 機器人訓練具有明顯優勢，在運動損傷評分和異常協同效應方面有較大改善。然而在6 個月后的隨訪中發現，MIME 機器人和傳統療法對腦卒中偏癱肢體效果相當[43]。

2.3.1.3 腕關節機器人 意大利學者設計了一個腕關節康復機器人，可以實現腕關節±90°范圍內的康復訓練，并通過實驗發現，使用該康復機器人的腦卒中病人手腕伸展范圍發生了顯著改變，標準臨床評估量表分數得到顯著提高，機器人測量參數和量表評分之間呈現中等相關性[44]。

2.3.1.4 多自由度機器人 瑞士蘇黎世大學的研究者設計的ARMin 上肢康復機器人具有6 個自由度，能夠幫助病人實現肘關節的屈伸運動和肩膀的空間運動[45]。一項研究發現，通過使用ARMin 上肢康復機器人，腦卒中病人的患肢運動功能改善程度明顯高于接受傳統治療的病人，上肢運動功能測試Fugl‐Meyer 量表中上肢運動功能測試部分（Upper Extremity Fugl‐Meyer Assessment，FMA‐UE）量表分數明顯提高[46]。哈爾濱工業大學通過一個具有5 個自由度的上肢康復機器人，通過電機驅動各關節，能夠完成肘部的屈伸運動和肩部的外擺、內收功能[47]。陳燕燕[48]研究發現，多自由度的上肢康復機器人可以實現單關節/多關節的康復訓練，使神經系統疾病病人在主動訓練時更加方便、靈活，降低驅動成本，激發病人的康復積極性。

2.3.2 下肢康復輔助訓練機器人

2.3.2.1 Lokomat Berg Balance Scale 該機器人是現階段市場上研究最廣泛的機器人步態訓練設備之一，由跑步機、體重支撐系統和雙側外骨骼部件組成，為病人的臀部和膝蓋提供動力[49]。在神經系統疾病人群中，已經驗證了Lokomat 訓練可以有效提升病人的下肢功能。一項大規模研究比較了腦卒中亞急性階段的Lokomat 訓練加物理療法與劑量（時間）匹配的物理療法，發現Lokomat 組在經過6 周的訓練后，在功能和運動結果方面取得了更好的結果[50]。此外，通過Lokomat訓練后，腦卒中病人步態得到明顯改善，特別是在地面行走中癱瘓腿的單站姿階段時間顯著延長[51]。劉燕平等[52]通過進行Lokomat 下肢康復機器人步行訓練和常規康復訓練比較發現，帕金森病病人的Berg 平衡量表、6 min 步行測試(the 6 min Walk Test,6MWT)較對照組明顯提高，計時起立‐行走測試較對照組顯著降低，Lokomat 可以有效提高帕金森病病人平衡能力和步行能力。Bang 等[53]將Lokomat 與傳統跑步機訓練相比，發現慢性腦卒中病人在速度、節奏、步幅和平衡方面較傳統跑步機組均有了顯著改善。

2.3.2.2 外骨骼機器人（ReWalk rehabilitation） ReWalk Rehabilitation 是一個外骨骼機器人，利用傳感器和狀態監視器實現站立、行走、上下樓梯等日常活動，神經系統疾病病人可以借助ReWalk Rehabilitation 實現行走和有效的步態康復，為輪椅和重度步行障礙病人的康復治療提供一種替代性的解決方案[54‐55]。一項隨機對照試驗發現，在神經系統疾病導致的截癱病人中，與膝踝足矯形器相比，ReWalk 在步態改善方面具有顯著優勢，然而在30 min 步行測試上，沒有顯著改變[56]。在家庭和社區中使用ReWalk，通過病人的使用體驗調查表發現，病人對ReWalk 的康復訓練和可用性表示滿意[57]。

2.3.2.3 Hybird Assistive Limb（HAL） 日本的HAL機器人可以綁在使用者腰部，每個肢體的速度傳感器、方位檢測器、壓力傳感器、肌肉信號收集模塊等分別被安裝于對應的肢體構架中，在膝關節和髖關節處分別有1 個自由度，可以更加準確地控制病人的步行[58]。一項系統綜述研究發現，相對于傳統訓練，HAL 可以顯著提升腦卒中病人的步行能力，病人的10 m 步行測試和BBS 均得到顯著提高[59]。在腦癱病人中使用HAL，可以顯著改善病人步行速度和步幅，通過二維步態分析發現，病人的膝關節和髖關節擺動相的屈曲角度增加，步態對稱性得到改善[60]。

2.3.2.4 坐臥式下肢康復機器人 我國對康復機器人的研究發展較晚，仍處于探索發展階段。燕山大學針對腦卒中截癱病人設計出一款坐臥式下肢康復機器人，運動曲柄滑塊機構實現機器人運行，方便病人在坐臥姿態下進行下肢康復訓練[61]。通過對設備的位置和關節速度的控制，實現對髖關節、膝關節、踝關節軌跡的精確控制，可以輔助病人進行主動、被動等多種康復訓練[61]。梁文龍[62]通過肌電信號采集實驗和步態康復運動實驗發現，坐臥式下肢康復機器人對股四頭肌康復具有有效性。

3 機器人康復效果的評價工具

目前，康復機器人康復效果的評價主要采用以下指標。

3.1 上肢功能評估

3.1.1 Fugl‐Meyer量表 Fugl‐Meyer量表中FMA‐UE是目前國際上最廣為接受的腦卒中運動功能量表之一，是腦損傷運動功能評價的“金標準”[63]。檢查病人在不同恢復階段的運動功能，包括身體反射狀態、屈肌協同運動、伸肌協同運動、選擇性分離動作、正常反射、腕關節穩定性、手指屈伸的抓握和捏力、手的速度和協調能力[63]。上肢部分共有33 項評價，每項2～66 分，得分越高表示上肢運動功能越好。

3.1.2 改 良Ashworth 痙 攣 量 表（the Modified Ash‐worth Scale，MAS） MAS 是目前臨床和科研評價痙攣狀態最常用的量表，操作簡便，等級較詳細，量化了肌肉張力和身體綜合運動能力，彌補了肢體運動功能Fugl‐Meyer 在評價軀干運動方面的不足[64]。

3.1.3 組塊測試（the box‐block test，BBT） BBT 是觀察手在完成木塊轉移這一任務活動時功能狀態的測試，是體現手粗大運動靈活性的。測試記錄的是60 s內移動的木塊數目，移動的木塊越多顯示手的靈活性越好[65]。

3.1.4 手指關節主動活動度（active range of motion,AROM） AROM 用來評估手指關節活動度的改變。在患側手處于功能位時，使用量角器測出手掌指關節和最大指間關節的主動伸展位和屈曲位的角度。關節主動活動度越大，手指功能越好[66]。

3.1.5 上肢運動能力測試（the action research arm test，ARAT） ARAT 用于評價腦卒中上肢運動功能恢復情況[67]，要求病人完成一系列的作業活動，包括13種單側和雙側上肢的抓、握、捏及粗大動作任務，如系鞋帶、打開罐子、擦干撒在桌子上的水等。共有19 個項目，每個項目評分分為4 個等級，總分57 分[68]。

3.1.6 運動活動日志（the motor activity log，MAL） MAL 設計目的是全面了解病人在日常生活中使用患側上肢的情況。通過半結構化面談問卷，病人描述偏癱上肢在30 個日常環境常見活動中的情況，來了解上肢的使用頻率（amount of use，MAL‐AOU）和動作完成質量（quality of movement，MAL‐QOM）[69]。

3.1.7 醫學研究理事會評分（the Medical Research Council，MRC） MRC 是國際上普遍應用的肌力檢查方法。通過雙側上肢的肩外展、屈肘、伸腕及雙側下肢屈髖、伸膝、踝背屈的關節活動度于肌肉力量對運動功能進行評價，使用6 級肌力評定[70]。

3.2 下肢功能評估

3.2.1 Fugl‐Meyer 量 表 下 肢 運 動 功 能 測 試 Fugl‐Meyer 量表下肢運動功能測試部分（Lower‐Extremity Fugl‐Meyer Assessment，FMA‐LE）共17 項，每項0～2分，包括有無反射活動（0～4 分），屈肌聯帶運動（0～6分），伸肌聯帶運動（0～8 分），伴聯帶運動的活動（0～4分），分離運動（0～4 分），正常反射（0～6 分），協調能力/速度（0～6 分，即跟膝脛試驗連續重復5 次），總分34 分。得分與下肢運動功能呈正相關[71]。

3.2.2 步行測試 6MWT 讓病人采用徒步運動的方式，測試其在6 min 以內承受的最快速度行走的距離，距離越長，表示步行能力越強[72]。

3.2.3 功能性步行分級評定（the Functional Ambula‐tion Classification，FAC） FAC 用于評定病人步行功能，分為0～5 級。0 級，不能行走或需要2 人及以上的輔助；1 級，需在1 人持續不斷輔助下行走；2 級，需在1人間斷輔助下行走；3 級，需要1 人監護或言語指導，但無須他人身體扶持；4 級，可在平地上獨立步行，但在上下坡、樓梯時仍需他人幫助；5 級，任何地方都能獨立步行[73]。

3.2.4 Rivermead 運動指數（the Rivermead Mobility Index，RMI） RMI 反映了病人在日常生活中主要的運動功能，共15 項。每項根據被測試者完成的情況分為2 個等級計分：0～1 分，最高分15 分。RMI 得分越高，說明在日常生活中運動功能越好[71]。

3.2.5 運動力指數（Motricity Index，MI） 下肢評價包括背屈關節、伸膝、屈髖，滿分100 分。每個活動無動作即為0 分；可觸及肌肉收縮，但無動作為9 分；有可見不完滿收縮，不能對抗重力為14 分；能抗重力完滿收縮，但不能抗阻為19 分；能抗阻完滿收縮，但弱于健側為25 分；正常肌力 為33 分[71]。

3.3 平衡能力

3.3.1 Berg 平衡量表（BBS） BBS 是評估病人平衡能力最常用的測量工具，共14 個條目指令，包含站起、獨立站立、獨立坐位、左下、轉移等，根據病人平衡能力每條目分為5 個等級，賦值0～4 分，總分0～56 分，分數越高表明平衡能力更為良好，是臨床平衡量表的金標準[74]。

3.3.2 計時起立‐行走測試（time up and go test，TUG） TUG 用于評價病人綜合移動能力和基本生活技巧。病人坐在凳子上，在距離椅子3 m 處做出標記，當聽到“開始”指令后，病人站立并以最舒適的速度向前步行到標記處，再返回到凳子坐下，測試者記錄下自發出指令到再次返回到凳子所需的時間[75]。病人在測試過程中需經歷站起、步行、轉身及坐下等活動，與站立位動態平衡、身體反應能力密切相關，是反映病人平衡能力和綜合步行能力的定量指標。

3.3.3 平衡信心量表（Activities‐specific Balance Con‐fidence，ABC） ABC 是病人對16 種日常生活常見活動中所能保持的平衡信心程度進行自評，評估跌倒風險程度。分為0～10 分，0 分表示完全無信心，10 分表示完全有信心。>8 分為正常生理功能狀態，平衡信心高；6～8 分為生理功能狀態不同程度降低，平衡信心降低；老年人<7 分提示有跌倒的風險[76]。

3.3.4 10 m 最大步行速度測試（10 meter maximum walking speed,10 mMWS） 10 mMWS 是一種簡單、客觀的評估功能恢復的方法[77]。在16 m 長的步行通道上標記起點、3 m、13 m、終點，讓病人以最好的步行狀態自起點步行至終點，記錄從3 m 處至13 m 處所需的時間，精確至0.01 s，測試3 次，每次測試期間可以休息，取3 次測試中時間最短值，并計算最大步行速度。

3.4 步態能力 采用多傳感器便攜式步態分析儀進行步態能力分析，多傳感器便攜式步態分析儀常與機器人康復結合使用，進行10 m 常規速度和雙重任務行走測試，根據軟件分析結果得到步態參數，常包括單/雙足站立時間、步長、步幅、步頻、步速和膝關節角度等運動學指標，落腳強度、擺腿強度等動力學指標[78]。多傳感器便攜式步態分析儀由1 個主機、2 個腳機和5 個肢體微型傳感器組成[79]，通過位于大腿、雙足和胸骨上的三維加速度傳感器采集步態數據，并及時傳輸到腰部主機，計算出病人的步態參數。使用多傳感器便攜式步態分析儀測量的步數誤差<1%，步頻誤差<2%，步速誤差<5%，步長精度為3 cm[79]。3.5 日常生活能力評估

3.5.1 Barthel 指數（Barthel index，BI） BI 用來評估病人康復情況，主要為其日常生活活動能力。包括10項內容，進食、洗澡、修飾、穿衣、大便控制、小便控制、如廁、床椅轉移、平地行走、上下樓梯，滿分100 分。得分≥60 分表示輕度依賴，41～59 分表示中度依賴，≤40 分表示重度依賴[80]。

3.5.2 功能獨立性評定（Functional Independence Measure,FIM） FIM 能夠評價基本的日常活動能力，可定量評估病人的殘疾程度，由6 個部分（自我照顧、括約肌控制、移動能力、運動能力、交流和社會認知）、18 個條目組成，總分126 分。FIM 具有良好的信度和效度，可以用來評價病人生活能力的改善情況[81]。

4 小結

通過文獻回顧發現，康復機器人作為一種安全、便捷的康復治療方式，可以有效提高神經系統疾病病人上下肢功能，提高病人的平衡能力，為病人提供個體化康復訓練，增強訓練趣味性，增加病人主動訓練意識，提高康復訓練有效性，減輕康復醫護人員工作負擔，使康復訓練更加系統化、規范化。然而現階段，康復機器人輔助訓練的強度、難度、頻率、周期等尚無明確統一標準，仍需進一步探索。相信未來，通過多學科合作，可以實現康復機器人的普適性，從而進一步提高神經系統疾病病人康復效果，降低致殘率，為提供更優質的護理服務奠定基礎。