下肢康復機器人在腦卒中步態康復中的應用進展

楊玲玲，劉 津，蔡華安，b

(湖南師范大學附屬第一醫院 a.康復三科，b.轉化醫學研究所運動醫學研究室，湖南 長沙 410000)

在1990～2017年，由于風險因素控制和治療的改善，全球腦卒中死亡率降低了33%，但絕大多數卒中患者都存在不同程度的偏癱，對患者回歸家庭和社會產生了極大的影響[1]。獨立與安全的行走能力是卒中幸存者康復的最常見目標，相關文獻表明，30%～40%的卒中幸存者即使在康復后也只具備有限的或沒有行走能力，因此，提高卒中幸存者步態康復的功效尤為重要[2]。機器人步態康復是25年前出現的一種替代常規手動步態訓練的方法,與傳統療法相比，機器人的步態康復可以在引人入勝的環境中提供高度控制，重復和密集的訓練，減輕治療師的身體負擔，并且能客觀精確地量化評估患者的運動功能改善情況[3]。為了更好了解機器人在腦卒中步態康復訓練中的治療方法，本文概述了下肢康復機器人及其輔助設備在步態康復中涉及到的感覺運動通路和肢體間的協調作用，以及在腦卒中步態康復的臨床研究，希望能從中得到啟發。

1 下肢康復機器人簡介

下肢康復機器人由機械系統、驅動系統、傳感系統和控制系統四大部分組成,其關鍵技術包括主被動自由度、驅動方式、傳動關節、感知技術、減重支持技術、虛擬現實技術及人機交互技術等；其康復訓練模式可分為被動模式，主動輔助模式，主動模式和主動抵抗模式四種；其康復設備可以分為主動，被動和混合動力設備；其驅動方式可以分為電動、氣動、和液壓驅動[4]。通常，下肢康復機器人可分為兩類，即外骨骼機器人(多關節驅動式機器人)和末端驅動式機器人[5]。外骨骼機器人可分為一是基于跑步機的外骨骼機器人，例如Lokomat[6]其外骨骼可以帶動患者下肢在跑步機上進行步態康復訓練；二是基于輔助助行器的外骨骼機器人，例如Hybird assistive limb(HAL)[7]，可以為腦卒中患者提供站立、坐下、行走以及上下樓等接近日常生活的訓練，并允許患者自愿和以自主行動模式來進行步態訓練。末端驅動式機器人可分為一是基于腳踏板的末端驅動式機器人，例如GangTrainer[8]是有懸吊裝置減重的步態康復機器人；二是基于平臺的末端驅動型器人，例如Ruegst ankle[9]是基于一個具有虛擬現實、力反饋和遠程控制技術平臺的腳踝康復機器人系統，通過分析平臺收到的數據了解患者腳踝關節的運動，然后遠程評估和指導患者進行適當的步態康復培訓。步態康復效果的評估手段包括步態參數、表面肌電圖、腦電圖、經顱磁刺激、足底壓力、卒中相關量表和新陳代謝率等；步態訓練的療效評估指標眾多，目前尚未形成統一的標準，但其中步態數據和卒中相關量表必不可少。對于下肢，訓練的強度和劑量對步態康復尤其重要，目前也尚無統一標準。

2 感覺運動通路

下肢康復機器人的步態康復機制尚未完全明確，但與神經可塑性密切相關。神經可塑性是神經系統通過改變結構或功能以適應內外環境變化的能力，各種感覺輸入可以促進病損中樞神經周圍側枝循環的建立，增加神經軸突、突觸之間的聯系，從而促進受損側大腦半球的功能重塑，促進神經可塑性。因而可借助機器人及其輔助設備來輔助物理治療師，以結構化方式結合視覺、觸覺、聽覺及本體感覺多種感覺機制，或強化感覺刺激，從而觸發病損中樞不常使用的神經通路以彌補丟失的通路，或促進形成新的感覺運動神經通路，加速恢復下肢運動障礙[10，11]。另下肢康復機器人及其系統還可以作為輔助裝置來補償持續存在的感覺運動缺陷。

2.1 視覺視覺可以為與位置或空間運動有關的棘上神經提供感覺輸入，主要用于反饋位置、軌跡、運動進度等空間信息，把視覺刺激加入下肢康復機器人訓練系統，既可以增強視覺與運動的協調性，也同時增加患者的參與度，并鼓勵患者通過激活目標肌肉群來改善它們的運動功能[12]。目前應用最多的是虛擬現實(virtual reality，VR)技術加入下肢康復機器人訓練系統，VR已經被證實可以作為一種刺激視覺運動路徑并誘導神經可塑性的有效方法，當下肢康復機器人與VR技術相結合，即可以增添患者訓練時的樂趣，提高主動性；又可在高重復性的任務導向性訓練中增加視覺刺激，從而提高步態康復訓練效果。胡靖然等[13]證明VR技術加入下肢康復機器人訓練較單純下肢康復機器人訓練更能改善腦卒中患者的下肢功能及平衡能力；Lokomat結合VR系統，其通過腦電圖數據表明，使用VR可影響參與運動計劃和學習的多個大腦區域(可能包括鏡像神經元系統)，從而使卒中后偏癱患者的步態和平衡能力得到最大改善[6]。但當前的VR技術真實感低、融入性不強、沉浸感弱，仍需進一步改進。

2.2 聽覺聽覺可以作為一種有效的感覺刺激加入下肢康復機器人系統，例如機器人可以通過語音提示來促進運動或鼓勵和勸阻相關行為，也可通過有節奏的聽覺提示使步態與節奏同步以改善步態。有中等程度的證據表明，下肢康復機器人系統加入有節奏的聽覺提示進行步態訓練后，卒中患者的步速和步幅得到改善[14]。

2.3 本體感覺平衡對維持正常的行走及步態尤其重要，平衡由視覺、前庭覺及本體感覺共同維持，其中本體感覺最為重要。本體感覺是指機體中肌、腱、關節等運動器官在運動或靜止等相關狀態時出現的感覺，涉及位置、振動、運動等感覺，本體感覺失調后將導致感覺共濟失調，從而引起平衡失調、步態異常。下肢康復機器人可以強化本體感覺刺激以促進肢體產生主動運動，促進形成正確的感覺-運動神經通路，以增強關節穩定性和下肢運動協調性，幫助患者恢復步行移動功能。王大武等[15]證實機器人輔助步態訓練能顯著改善偏癱側膝關節本體感覺；研究者開發了一種由髖關節機器人與跑步機組成的平衡評估機器人，通過對中風后病人進行微動平衡訓練，提高患者的步行能力，從而改善步態[16]。

2.4 皮膚觸覺觸覺作為刺激大腦神經可塑性的一種可能方式正在日益普及[11]。對健康個體使用主動訓練下肢機器人(active leg exoskeleton III, ALEX III)進行觸覺抵抗運動時引起的反應表明，觸覺反饋可用于步態康復[17]。瑞士伯爾尼大學在Lokomat的步態訓練期間發現，與基于視覺錯誤放大訓練相比，觸覺反饋更能增加運動學習能力，為提高腦卒中患者的步態訓練效果提供有意義的框架[18]。目前，觸覺反饋也用于下肢機器人的步態訓練中的姿勢控制。

3 肢體間的協調作用

人類行走過程中兩條腿會相互影響，通常，步行時一條腿擺動階段的開始要求對側腿同時處于站立狀態，顯然，步行需要協調雙腿之間的肌肉激活模式。大腦通過控制與運動密切相關的協同肌肉群來維持肢體運動的穩定性[19]，這使得肌肉群之間產生了相互依賴的作用，即肌間耦合關系。肌間耦合現象是肌肉間的相互作用，反映了中樞神經系統對肢體運動過程中相關肌肉的協調能力和控制策略。王洪安等[20]通過肌電信號分析肌間耦合特征的變化來探索中樞神經系統對肢體運動的協調策略，有助于為下肢機器人在步態康復提供理論參考依據。馬紹興等[21]發現步態模式對髖膝踝關節的運動協調關系有顯著影響，下肢康復機器人可以借鑒相應的運動協調模式降低機械結構和控制系統的復雜性。美國亞利桑那州立大學的研究發現一種機器人輔助步態康復的新方法，發現在神經系統損傷后，腿間協調機制仍然存在，在偏癱患者的健側肢體引入單側擾動，從而引起患側的模仿性活動[22]。下肢機器人的目的是輔助行走，進行步態康復，考慮到中風后偏癱的情況，其中步態異常主要發生在身體的一側，步態功能更可能受到不對稱問題和四肢之間缺乏協調的影響。因此，在發展下肢康復機器人控制中需考慮肢體間運動的協調作用，以改善步態方面，并確保患側的輔助運動和對側的非輔助運動之間的連貫性。

4 用于腦卒中步態康復訓練的下肢機器人的臨床相關研究

4.1 針對執行器所在位置/關節不同設計的下肢外骨骼機器人由于臨床中的腦卒中患者多存在特殊的偏癱步態及足下垂現象，據此下肢機器人的執行器安裝在不同的關節處，其康復效果也有所不同。用于助攻髖關節屈曲和延伸的設備Honda Stride Management Assist被驗證了比功能性步態培訓更能改善步態速度、步長、行走耐力、平衡和皮質運動興奮性[23]。日本團隊研發的一款可附加于傳統膝-踝-足矯形器的外骨骼，通過改善因膝關節運動異常導致的非正常步態模式，使患者的膝關節角度和肌肉活性均得到了顯著改善，同時進一步改善了患者的步態性能[24]。香港中文大學研究團隊設計的一款足踝外骨骼，可以改善有腳下垂癥狀的慢性腦卒中患者的步態功能、運動功能和步行速度[25]。

目前臨床中使用較多的下肢機器人如Lokomat、HAL、LOPES、ReWalk等都是多關節機器人。一般多關節康復設備比單關節康復設備更有效，因為它們在治療中涉及更多的肌肉，并且設備的自由度越多，由于慣性減小產生的扭矩越大，患者的效果就越好[5]。需注意的是活動關節數量的增加會導致外骨骼重量的增加。近年來，基于順應性和舒適性的柔性下肢機器人系統已顯示出優勢，其不僅更順應人的自然形態和生物力學，可以實現尺寸和重量的減小，而且對步態康復同樣有意義。例如在卒中患者步行周期的特定階段增加關節角度和腳部間隙來改善步態和姿勢模式[26]。但也因為柔軟特性會阻止柔性下肢機器人為患有嚴重運動障礙的人(例如非步行者)提供幫助。

4.2 針對不同臨床階段的腦卒中患者設計的下肢步態康復機器人臨床試驗中國腦卒中早期康復治療指南指出偏癱患者應在病情穩定后盡快離床，借助器械進行站立、步行康復訓練。具有懸吊減重系統的GTI機器人適用于腦卒中早期患者，研究表明GangTrainer能提高腦卒中急性期偏癱患者的步行能力及日常生活活動能力[8]。腦卒中后的前3個月是神經重塑關鍵期，大部分下肢機器人的臨床試驗都針對亞急性期偏癱患者。例如，Aprile等[27]發現末端驅動型機器人輔助步態訓練可能改善亞急性中風患者的臨床和步態結果；Wall等[7]對利用HAL機器人進行腦卒中后步態康復的臨床測試的研究進行歸納比較，根據移動功能類別比如10米步行測試、6分鐘步行測試等的比較發現利用HAL步態訓練效果更好；但是Watanabe等[28]將HAL與常規步態治療進行比較時，其在步行速度或步幅長度沒有顯著改善；Swinnen等[29]發現機器人輔助步態訓練雖然可以改善亞急性和慢性卒中患者的平衡功能，但改善與傳統物理治療相比沒有統計學意義；相關研究表明Lokomat和HAL等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[30]。腦卒中患者進入慢性期后，雖然神經功能恢復減慢，但經過適當康復治療，患者的功能活動仍能得到改善。張旭等[31]利用步行機器人(Exowalk)對慢性腦卒中偏癱患者訓練4周，結果表明Exowalk能持續改善慢性期腦卒中偏癱患者的平衡功能，提高患者步行能力。末端式機器人GEO System[32]被證明可提高慢性卒中患者的步態耐力，減少下肢痙攣。但一項單盲隨機對照實驗中慢性卒中患者經過6周訓練，實驗組10米步行測試、6分鐘步行與傳統訓練的對照組無顯著性差異[33]。

目前臨床中應用較多的是可穿戴下肢外骨骼，因為可以使用戶更加積極地參與到治療中，能提高患者生活質量和降低抑郁率。當前機器人輔助步態訓練的結果指標主要集中在移動評估(即10米步行測試，6分鐘步行測試等)上，而不是集中在改善或避免繼發健康狀況(secondary health conditions，SHCs)上,例如呼吸系統和心血管并發癥、腸/膀胱功能障礙、肥胖、骨質疏松和壓力性潰瘍等[34]；由于預防卒中后SHCs是主要目標，因此評估下肢康復機器人步態治療的研究應更多地關注與SHCs相關的結局指標。

5 結語

臨床中腦卒中后的步態康復涉及到神經科學，而下肢康復機器人涉及到工程學、運動力學、電子技術、控制技術等，為了縮小臨床醫學與下肢機器人技術之間的差距，目前應盡可能的尋找、激發和操縱利用大腦可塑性的神經機制，而下肢康復機器人技術應最大程度地發揮這種神經可塑性，從而為患者提供更佳的治療效果。相應下肢機器人應增加在腦卒中等神經系統疾病所致下肢運動功能障礙患者中的大規模臨床試驗，通過精心設計的臨床研究證明外骨骼機器人在步態康復中的優勢。