下肢機器人輔助腦卒中患者下肢運動功能康復的研究進展

侯世威 陳慧華 蘇鄭明

1廣州醫科大學附屬第五醫院教學科，廣州 510700；2廣州醫科大學附屬第五醫院泌尿外科，廣州 510700；3廣東高校生物靶向診治與康復重點實驗室，廣州 510700

機器人在康復治療領域的應用可以追溯到20世紀90年代。隨著神經病學專業領域的發展，腦卒中病死率逐漸下降，但是隨之而來的殘損、殘疾、殘障等問題日益突出，嚴重影響患者日常生活能力及社會參與能力［1］。因此腦卒中后的功能康復成為了人們關注的焦點，其在腦卒中患者出現的各種運動功能障礙中以下肢運動功能障礙最為突出，具體表現為步態不對稱、重心轉移差、下肢各關節活動受限等［2］。隨著康復工程學的快速發展，新型下肢機器人的發明與改進可以更好地輔助治療師進行常規手法治療，減少治療師的體力勞動以緩和治療師不足的矛盾。同時對于患者，新型下肢機器人可以提供更優質的醫療服務，加速患者功能障礙的恢復，為患者及家庭減輕負擔。本文從3個不同角度對機器人輔助康復進行綜述：下肢機器人與人之間的互動類型，下肢機器人輔助治療的實現以及曾經使用過的機器人設備所針對的感覺運動路徑。

下肢機器人的介紹

下肢機器人主要分為兩類，一種是以穿戴型的外骨骼為基本構造，另一種是以充當人體效應器的仿生腿為基本構造［3］。本文主要針對下肢尚存的腦卒中患者展開討論，并以穿戴型外骨骼為基本樣態的下肢機器人作為核心論點。因為運動是由中樞神經系統和骨骼肌肉系統之間復雜綜合的相互作用結果，所以對患者下肢最有效的康復方法之一就是利用步態分析，以結構化方式重構并強化下肢的感覺機制［4］。下肢機器人和機電系統的設計目的是通過特定的重復運動協調練習和神經重塑原理來喚起肌肉的激活、協同作用和神經可塑性［5-6］。由于腦組織不能像損傷前那樣簡單地修復，為了恢復行走等身體能力，大腦必須沿著完整的、活躍的神經通路連接，同時盡可能激活不常使用的神經通路進行代償［7］。外國科學家早期研究是以步態模式為核心，建構關節在三維空間活動的模型［8-9］，同時強調個性化方案和重復任務驅動型訓練，盡可能增強關節的穩定性和協調性，保證康復治療的效率。下肢機器人可通過醫師的反復測試重點參數和對運動數據的反饋，可釋放微電刺激并輔以彈簧裝置，增強下肢的興奮性，從而調控關節活動度［10］。現有的下肢機器人通常是與醫院現有的跑步機相結合，治療師利用跑步機上的測量數據進一步制定個性化的運動處方，例如接入肺功能測量設備測量患者呼吸頻率等數據。在跑步機上可設置三維腳架，通過吊繩減輕患者的負重，患者能夠自身承受剩余體質量，充分發揮下肢殘余功能進行代償。伴隨患者肌力的恢復，其逐漸過渡到完全抗自身重力及部分抗阻［11］。下肢機器人可聯合虛擬現實（VR）設備為患者提供視覺反饋，刺激本體感覺，最終實現加速神經功能重塑的目的。綜上所述，下肢機器人在治療流程中發揮著傳感器、矯形器、減負器及重復工作機的作用。

下肢機器人輔助治療流程

在康復治療的流程中，治療師通過下肢機器人的自動化運行確定康復階段，有利于開展或者暫緩新一輪的較高強度的重復訓練。在下肢機器人與患者的交互層面上，治療師從中獲得大量的物理參數，在治療流程中可以明確實現下肢機器人的治療作用［12］。同時在一種治療流程中，下肢機器人可以實現多種交互類型使之完成多個子目標。

1.減重

下肢機器人與跑步機組合可實現體質量支持的作用。傳統康復形式是地面支持系統，治療通過治療師的攙扶進行，按照肢體近端到遠端的順序增強患者肌力，實現患者從站立到行走的巨大改變。因此當腦卒中患者肌肉嚴重萎縮，不能獨立支撐自己的體質量時，患者的平衡能力也會受到極大影響。下肢機器人-跑步機組合可以通過滑輪減輕不同程度的負重，最大限度減少患者的平衡失調，可以盡最大限度使患者在跑步機上進行獨立訓練，減少治療師的工作量［13］。同時該組合可以增強患者的肌力，最終讓患者完全控制自己的身體姿勢［14］。下肢機器人也可以獨立工作，通過在房間內鋪設軌道和滑輪裝置，患者可以訓練運動神經通路，讓自己獨立進行體位轉移，治療師只需在一旁監督并提供一定程度的保護即可。

2.腳板跑步機

早期的下肢康復治療較多采用腳部和腿部附著物進行物理治療和運動研究。這種方法主要用于腦卒中早期患者臥床不起或坐輪椅。在物理治療師的輔助下，患者使用這些附著物進行高強度訓練可以改善步態，同時這些附著物也可以應用于阻力訓練［15］。其中最重要的附著物是腳板，它們通常被驅動來將腳移動到另一個軌道上。通過控制腳板與腳的相互作用，腳板具有能夠模擬不同行走表面的優勢，例如樓梯、斜坡和不平坦的表面。一些特殊腳板存有固定平臺的模式，允許患者坐立或站立，并且可以輔助他們保持平衡。固定平臺的腳板可以為患者減重，幫助無法支撐體質量的患者進行運動訓練。

3.關節活動矯正

在神經康復領域中，受到最多關注的下肢機器人類別是外骨骼和動力矯形器。許多康復治療的方式都是通過外骨骼或動力矯形器，它們附著在受試者的腿上，并直接在一個或多個關節上產生致動扭矩［16］。通過電機和相應控制器，外骨骼和動力矯形器可以提供精確的關節扭矩。根據運動處方的目標，這些機器組合可以和跑步機一起使用，在不同方面改善運動功能恢復的結果。一些外骨骼專注于脊髓損傷的患者，并具有機械設計和控制屬性，也可以應用到腦卒中康復。下肢機器人在治療的過程可以充當傳感器，治療師可以在行走的身體內部測量數據或者建立信息端的接口，例如腦電圖（EEG）信號或表面肌電圖（EMG）信號［17-18］。這些測量數據基于神經網絡信息為康復機器人提供操作的參數，最后實現與治療相適應的力量訓練和運動時機。EMG信號已經可以運用于腿部和足部操作系統的康復軌道［19］。這種方法提供了非功能性電刺激（FES）輔助步態，但是這種關于神經網絡信息的處理面臨著信號多變性、分類算法的穩定性和需量化的性能反饋指標的挑戰。EMG和EEG分析的最新進展導致了這種控制方法在康復機器人中的廣泛應用。但是這些挑戰仍然需要解決，才能使這些方法成為康復的可行部分，特別是在外骨骼和矯形器的應用中。從機器人與人的附著性考慮，通過順應人體形態和生物力學機制，機器人可以更好地傳送數據和矯正關節活動［20］。另一個方面，我們可以利用軟機器人技術。這種技術從剛性連接重新設計為使用電纜布線，可以實現尺寸和重量的減少［21］。與傳統的剛性外骨骼設計相比，這些基于順應性和舒適性的系統顯示出相當大的優勢，并顯示出具有類似益處的能力。例如一種與穿戴者的癱瘓肢體功能同步的低輔助軟外衣可以立即增加癱瘓踝關節的擺動相背屈，并增加癱瘓肢體的向前推進力。

4.任務驅動

大部分外骨骼裝置會利用跑步機進行訓練，以保持某些變量的一致性，例如平均步行速度。這種方法可以提高治療室的跑步機利用率，使維護機器人的費用降低。然而，跑步機訓練可以在不使用任何直接附件或機器人設備的情況下使用，而僅僅在身體上佩戴數個簡易傳感器，在跑步機周圍放置動作捕捉攝像系統或其他數據收集系統進行本地實驗和試驗即可［22-23］。而使用分體式跑步機進行訓練時，可以研究行走時的短期運動適應。在分體式跑步機的兩側設置為不同的速度或相反的方向，可以誘導患者的運動適應能力。同時治療師經過患者同意后可以主動實時改變跑步機的速度，提高患者兩腿的協調能力［24］。爬樓梯是最容易實施的治療方式，其是一種經過測試的強化訓練方法，以目標導向或任務導向療法與視覺反饋相結合，避開障礙物來增強患者平衡協調能力。在爬樓梯的過程中，患者還可以提高肌力。腳板也同樣以目標導向或任務導向，設定兩種速度進行運動訓練，同樣可以提高患者的運動適應能力。

5.電刺激

電刺激可以取代下肢機器人系統來與受試者交互，所以FES被提出直接由外骨骼在肌肉上施與電刺激，可以誘導肌肉收縮甚至預防足下垂。FES有較大概率會改善仍對自身有較高控制水平的腦卒中患者的健康和力量。此外，當它與跑步機一起使用時，已經被證明產生了積極的結果。經顱磁刺激（TMS）通過大腦皮層附近的感應磁場使皮層神經膜去極化，并使神經元群放電，可以用于改善神經中樞位于皮層的反射［25］。TMS和其他經顱刺激在患者腦卒中后長期步態康復中的效果有限，但它們仍然可以提供新的可能性來研究脊髓反射機制和大腦皮質激活，這可能為步態康復提供有用的見解。

機器人設備所針對的感覺運動路徑

腦卒中的康復極度依賴大腦通過神經重塑性恢復的突觸結構［23］。當腦細胞因腦卒中造成的損害而再生、重新建立和重新安排神經沖動時，就會發生神經重塑性［26］。在運動康復方面，運用感覺運動機制的物理療法會激發神經重塑性，刺激大腦糾正感覺和身體的缺陷，即尋找、喚起和利用神經重塑原理的神經機制［4，27］。

1.視覺

傳統的視覺反饋方法通常是基于視頻或3D游戲實現的。通過顯示屏上的目標判定，患者積極調動實現目標的肌肉群來改善運動功能［28］。現在，VR被認為是一種更吸引人、更有效的刺激視覺運動通路和誘導神經重塑性的方法［29］。這是一種快速發展的實現虛擬環境的方式，最常見的方式是戴上VR眼鏡，用虛擬環境覆蓋對象的整個視覺空間。有了VR，只需要一個互動式手柄和眼鏡就可以與任何物理環境互動，甚至可以在遠程康復訓練中實施。其中，展現腦卒中患者在虛擬環境中學習和運動的可能性［30］。VR通常是對已經使用的康復技術的補充，它提供了一個需要真實世界設置的環境，增加了材料設置的復雜性。如果需要與虛擬現實不同的真實世界環境，增強現實技術可以將動畫對象放置到真實世界環境中。在用戶看來，這具有更逼真的優點，并消除了VR環境引起的迷失方向問題。由于這項技術相對較新和成本較高，與其他物理實現和交互目標相結合的康復技術仍有待開發。

2.聽覺

聽覺等補充反饋可以補充或取代可穿戴系統的視覺，也用于社交輔助機器人。這些機器人可以使用語音提示來促進運動或提供鼓勵和勸阻行為，當與機器人手勢相結合時，語音是與現實世界互動的重要組成部分。聽覺反饋的另一個應用是有節奏的聽覺提示，這是一種使步態與節奏同步的方法，以改善步態測量。有適度的證據表明，腦卒中患者在使用有節奏的聽覺提示進行步態訓練后，速度與步長都有所改善。

3.本體感覺

腦卒中患者在訓練中的平衡感是至關重要的［31］。平衡感是一種重要的行走機制，它使用視覺和聽覺反饋以及本體感覺［32］。本體感覺是在步態階段期間和步態之間的轉換中，通過調節肌肉激活幅度，使身體部位相對于身體其他部位具有已知位置的感覺［33-35］。下肢機器人可通過提供本體感覺觸覺反饋來減少平衡異常，建立個性化的姿勢訓練系統［36］。同樣，視覺、聽覺和本體感覺反饋的相互作用也可以通過VR系統進行運動訓練。

結 語

本文基于康復工程學的發展，綜述下肢機器人在康復流程中的應用［26］。下肢機器人是集智能反饋系統與減重步態訓練于一體的裝置［37］。在減重狀態下，下肢機器人可為患者減輕一定身體負重，使患者能獨立完成運動訓練，增強肌力，促進肢體殘余功能的發揮。同時機器人還可用預設的步態，增強關節的穩定性和協調能力，改善患者步態［38-40］。下肢機器人可聯合跑步機實現更精細的治療方案，例如采用分體式跑步機來增強患者運動適應能力［41］。在感覺通路，下肢機器人聯合VR技術，增強患者的視覺反饋，刺激本體感覺，最終加速神經系統重組。但是下肢機器人也存在較多不足之處。當采用懸吊法時，機器人綁定患者的流程過于復雜，時間成本過高［42］。減重系統完全基于患者自身能力，沒有統一標準化的規定，單純依賴治療師的主觀判斷去測試，數據過于離散。下肢機器人對比已經存有的跑步機成本較高，在普通小區難以普及，在社區實現康復的進展比較緩慢。同時在采用的數據中，大部分缺少對患者的長期隨訪觀察［43］，在未來需要對數據進行更細致的采集和分析。