豐富環境下多重任務導向機器人訓練對腦卒中患者步行功能和日常生活活動能力的干預效果

劉達，韓小釵，王子良，趙紫劍，賈雪嵩，何宇，劉學勇

（中國醫科大學附屬盛京醫院康復醫學中心，沈陽 110134）

腦卒中是一種由于腦部血管突然破裂或血管阻塞而引起的腦組織損傷的急性腦血管疾病［1］。目前，腦卒中作為我國第一致死疾病，其引發的運動功能障礙極大影響患者的日常生活活動能力，給患者及其家庭帶來嚴重的經濟負擔，降低患者的幸福感［2］。步行功能障礙是導致腦卒中患者高致殘率的主要原因之一，60%～80%的患者因神經肌肉控制問題導致異常步態的發生。腦卒中患者的異常步態主要表現為行走過程中步速減小、步幅縮短、雙足支撐時間較長、步態不對稱性、步行過程中能耗增加，同時伴有足內翻、膝過伸、足下垂等特點［1］。腦卒中患者的步行功能障礙增加了步行過程中的跌倒風險，影響患者日常生活質量。因此，步行功能的恢復是腦卒中患者的主要康復目標，也是提高患者日常功能的重要治療。

豐富環境是指通過感覺刺激、運動刺激、社會交往的干預提高患者感覺運動功能的恢復，改善其生活能力，激發患者康復訓練的主觀能動性［3］。豐富環境與標準環境的主要區別在于患者有了更多的活動空間、多樣的外部環境。多項研究［4］表明，豐富環境可以誘發神經干細胞增殖，改善血腦屏障完整性，增強神經可塑性，促進神經功能恢復。任務導向訓練以運動再學習和運動控制為理論基礎，通過不斷的強化和運動反饋實現既定的康復訓練目標，最大程度上達到改善患者功能障礙的作用［5］。

康復機器人是一種結合康復醫學、計算機科學、機器人領域等研發的自動化康復設備，根據神經可塑性原理，通過刺激神經系統對下肢肌肉的控制，模擬正常人步行規律，對患者進行大量的下肢運動重復性訓練，使大腦運動功能的可塑性達到最佳化，起到幫助患者恢復下肢運動功能的作用［6］。其利用外骨骼和減重支持系統，對減重支持量、髖-膝-踝關節活動范圍、步行速度等設備參數進行調節，根據患者病情特點為其提供個性化訓練方式和訓練強度。康復機器人因其重復安全的感覺運動刺激、精準有效的運動訓練模式以及客觀準確的運動反饋等特征，被越來越多地用于腦卒中患者下肢運動功能恢復中。雖然豐富環境、任務導向訓練、康復機器人有著各自的康復治療作用，但少有研究將三者聯合用于腦卒中患者的康復治療中。本研究探討了豐富環境下多重任務導向機器人訓練對腦卒中患者步行功能和日常生活活動能力的干預效果，以期為未來腦卒中患者的康復訓練提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究對象和分組

選取2019年1月至2022年7月于中國醫科大學附屬盛京醫院康復醫學中心接受康復治療的腦卒中患者59例。采用隨機數字表法，將患者隨機分為對照組（采用常規康復訓練，30例）和研究組（在常規康復訓練的基礎上增加豐富環境下多重任務導向機器人輔助步行訓練，29例）。

納入標準：（1）經頭顱CT或MRI檢查確診為缺血性和出血性腦卒中，同時符合第四屆腦血管病學術會議制定的診斷標準［7］；（2）年齡≥18歲；（3）首次發病，僅單側肢體受累；（4）病程1周～6個月，且住院時間不少于4周；（5）病情穩定，生命體征平穩，能接受相關康復干預和治療。排除標準：（1）存在嚴重認知和溝通障礙，不能配合訓練者；（2）因心肺疾病或肌肉骨骼系統并發癥，無法耐受穿戴機器人進行訓練者；（3）存在嚴重視覺空間忽略者；（4）嚴重肌張力增高痙攣者；（5）因下肢皮膚感染破潰，無法耐受穿戴機器人者。

本研究獲得中國醫科大學附屬盛京醫院醫學倫理委員會批準，所有患者均對研究內容知情同意并簽署知情同意書。

1.2 治療方法

1.2.1 對照組：采用常規康復訓練方法，包括在無痛范圍內進行關節被動活動、肌肉牽伸、患側肌力訓練、重心轉移訓練、坐位及站位平衡功能練習、體位轉移訓練、協調能力訓練、步行功能及日常生活活動能力訓練等。訓練40 min/次，1次/d，5 d/周，持續4周。

1.2.2 研究組：在常規康復訓練的基礎上增加豐富環境下多重任務導向機器人輔助步行訓練。

1.2.2.1 豐富環境干預（1）感覺刺激，包括識別卡片上物品名稱和顏色、根據患者愛好閱讀書籍和報紙等的視覺刺激，聆聽感興趣的音樂和廣播等的聽覺刺激，在視力遮擋情況下辨別不同物品形狀和大小的觸覺刺激。訓練20 min/次，1次/d，5 d/周，持續4周。（2）運動刺激，與任務導向訓練相結合，分析影響患者步行功能障礙的因素，根據其特點制定針對性任務導向訓練，包括下肢足廓清障礙的訓練、骨盆控制的訓練、上下臺階練習等。訓練20 min/次，1次/d，5 d/周，持續4周。（3）社會交往，包括安排患者進行小組訓練，增加患者間的交流討論，模擬患者重返社會的日常生活，如購物、下棋等。

1.2.2.2 康復機器人干預 將患者雙下肢固定于外骨骼機器腿上，使用繃帶將雙側踝關節保持在中立位，治療師根據患者實際情況調整機器人參數，起始減重為患者自身重量的50%，步速為1.5 km/h，引導力為100%。然后根據患者下肢的實際功能情況進行被動-助動-主動的調整，逐漸降低機器人的引導力，減少體質量的支持，增強患者步行的主動性，逐漸提高患者的步速及步行穩定性。訓練20 min/次，1次/d，5 d/周，持續4周。

1.3 評價指標

1.3.1 Fugl-Meyer運動功能評定量表下肢部分（Fugl-Meyer Assessment-Lower Extremity，FMA-LE）評分：從反射、速度、協調性等方面評估下肢運動功能，包含7個大項，17個小項，每個項目0～2分，共34分。評分越高，說明下肢運動功能越好。

1.3.2 Hoffer步行能力分級：1級，患者完全不能步行；2級（非功能性步行），患者借助輔助支具（膝踝足矯形器或手杖）可以在室內行走；3級（家庭性步行），借助輔助支具（踝足矯形器或手杖）可以在室內行走自如，但在室外不能過長時間行走；4級（社區性步行），可獨立在室外或社區內行走、散步。分級越高，說明患者步行能力越強。

1.3.3 Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）評分：評估患者坐-站位下動靜態平衡，包括獨立站立、獨立坐、坐站轉移、床椅轉移、閉眼站立、轉身向后看及轉身1周等14項，每個項目0～4分，共56分。分數越高，說明患者平衡能力越好。低于40分說明患者存在跌倒風險，需要他人輔助行走。

1.3.4 改良Barthel指數（Modified Barthel Index，MBI）：總分100分，包含進食、穿衣、大小便管理、床椅轉移、行走、上下樓梯等10項日常生活能力的基本內容，每項0～10分。總分越高，說明患者日常生活活動能力越好。

1.3.5 表面肌電圖：由專業治療師收集患者治療前和治療4周后股四頭肌、腓腸肌、脛骨前肌的表面肌電圖信號的均方根振幅（root mean square，RMS），每塊肌肉采集15 s，共采集3次，取平均值。RMS值越高，說明肌肉興奮性越強。

1.4 統計學分析

2 結果

2.1 一般資料的比較

2組患者比較，年齡、腦卒中類型、肢體偏癱側、性別、入院病程等一般資料的差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。見表1。

表1 2組患者一般資料的比較Tab.1 Comparison of general patient characteristics between the two groups

2.2 2組患者治療前后FMA-LE評分、Hoffer步行能力分級、BBS評分、MBI的比較

治療前，2組患者FMA-LE評分、Hoffer步行能力分級、BBS評分、MBI的差異無統計學意義（P>0.05）。治療4周后，2組患者FMA-LE評分、Hoffer步行能力分級、BBS評分、MBI均較治療前明顯提高（P<0.05），且研究組高于對照組（P<0.05），見表2。

表2 2組患者治療前后FMA-LE評分、Hoffer步行能力分級、BBS評分、MBI的比較Tab.2 Comparison of FMA-LE scores，Hoffer walking ability ratings，BBS scores，and MBI scores between the two groups before and after treatment

2.3 2組患者治療前后表面肌電圖改變情況

治療前，2組患者比較，表面肌電圖信號RMS的差異無統計學意義（P>0.05）。治療4周后，2組患者RMS均較治療前明顯升高，且研究組RMS高于對照組（P<0.05）。見表3。

表3 2組患者治療前后表面肌電圖信號RMS的比較（μV）Tab.3 Comparison of the RMS values of surface electromyography signals between the two groups before and after treatment（μV）

3 討論

研究［8］表明，2/3 的腦卒中患者存在步行功能障礙，患者在步行過程中跌倒風險較高，同時伴隨著日常生活活動能力下降。常規的康復訓練方法無法充分協調患者患側下肢負重、邁步及動態平衡時的安全性之間的關系，無法建立患者在步行過程中正確的步態模式，不利于腦卒中患者下肢運動功能的恢復，影響患者日常生活。本研究采用豐富環境下多重任務導向機器人對腦卒中患者步行能力和日常生活能力進行干預，結果顯示，豐富環境下多重任務導向機器人訓練可以改善患者下肢運動功能和平衡功能，同時提高患者的日常生活活動能力。

3.1 豐富環境下多重任務導向機器人訓練對腦卒中患者下肢運動功能的影響

本研究結果顯示，康復干預4周后，2組患者FMA-LE評分均較治療前明顯提高，且研究組高于對照組（P<0.05）。研究［9］表明，豐富環境可以誘導神經遞質的釋放，提高傳遞效率，增加突觸數量，促進神經元的功能性重組，從而提高患者運動感覺的恢復。關敏等［10］發現，相比于常規康復訓練，任務導向訓練在改善患者下肢運動功能方面效果更好。

康復機器人系統為患者提供減重支持，有利于提高患者步行過程中軀干和骨盆的穩定性，大量重復性步態練習有利于加強偏癱患者肌肉記憶，促進神經系統重塑。本研究結果表明，將豐富環境下多重任務導向機器人用于腦卒中患者的康復訓練中，可以抑制異常模式，刺激關節肌腱的本體感受器，增加患側肢體深淺感覺輸入，誘發正常運動模式的出現，從而達到促進患側下肢功能恢復的作用。

3.2 豐富環境下多重任務導向機器人訓練對腦卒中患者步行功能的影響

本研究結果顯示，康復干預4周后，2組患者Hoffer步行能力分級均較治療前明顯改善，且研究組改善好于對照組（P<0.05）。由于腦卒中患者不具備早期步行訓練的能力，而康復機器人可以通過外骨骼系統帶動患者偏癱側肢體進行大量重復性運動，幫助患者模擬正常步態，強化患者步行能力。步速是影響腦卒中患者步行能力的重要指標，步速的增加通常伴隨著患者步行時能耗降低。康復機器人的減重支持系統增加了腦卒中患者步行穩定性，提高訓練的效率，提高患者步行速度。BUESING等［11］發現，康復機器人用于腦卒中患者步行訓練中，可明顯提高步速、步頻、步長等步態參數，使雙支撐相時間縮短，改善患者雙側步態不對稱性。

同時，通過刺激患者足底感覺，可以增加本體感覺的輸入，有助于激活患側下肢的抗重力伸展，提高下肢運動能力。WATANABE等［12］對22例偏癱患者進行的研究顯示，康復機器人組與常規訓練組相比，可以顯著提高患者步行速度，改善偏癱患者下肢步行的穩定性和對稱性，增強患者功能性步行能力。豐富環境下多重任務導向機器人訓練為患者提供高強度、重復性、標準化的訓練模式，具有一致性和連續性，有助于提高患者訓練效率，提高下肢運動功能。

3.3 豐富環境下多重任務導向機器人訓練對腦卒中患者平衡能力的影響

本研究結果顯示，康復干預4周后，2組患者BBS評分均較治療前明顯提高，且研究組高于對照組（P<0.05）。本體感覺的輸入、中樞神經系統對信息的整合對維持患者平衡能力至關重要，豐富環境干預可以增加突觸可塑性，增強大腦對感覺刺激的反應，有利于改善患者平衡障礙。同時，腦卒中后患者主要步態特點為在步行過程中能耗增加，具有不穩定性，跌倒風險較高。康復機器人可以加強對患者軀干穩定性的控制，通過對下肢運動軌跡的調節，使軀干和下肢處于正確的力位力線，防止重心轉移不充分導致的步寬和步角增大，同時通過視覺反饋，可以加強患者本體感覺的輸入。KIM等［13］對19例腦卒中患者進行4周的訓練，結果發現，機器人輔助步行訓練可以提高患側下肢負重，更好地激活患側肌肉，提高患者本體感覺的輸入，增強平衡能力，與本研究結果一致。

3.4 豐富環境下多重任務導向機器人訓練對腦卒中患者日常生活能力的影響

本研究結果顯示，康復干預4周后，2組患者MBI均較治療前明顯提高，且研究組高于對照組（P<0.05）。張琦琪等［14］認為，豐富環境可通過突觸重塑、促進血管生成來減輕缺血性腦損傷，對缺血性腦損傷后的膠質神經細胞增生和神經再生有積極影響。

患者步行功能的恢復是提高其日常生活能力的重要指標，也是提高生活質量的關鍵。康復機器人通過對下肢痙攣肌肉的牽拉，輸入正常運動模式信息，起到抑制下肢伸肌痙攣的作用，促進患者下肢功能的恢復，從而進一步提高患者轉移、如廁、行走等日常生活能力。MILLER等［15］的研究顯示，機器人輔助步行可以促進血液循環，增加肌肉力量，減輕關節肌肉攣縮和骨質疏松，降低壓瘡的發生率，改善二便功能，提高日常生活能力。將豐富環境下多重任務導向機器人訓練用于腦卒中患者，能夠促進患者間的交流，緩解患者的焦慮情緒，改善患者運動障礙，提高患者日常生活能力。

3.5 豐富環境下多重任務導向機器人訓練對腦卒中患者下肢表面肌電圖的影響

本研究結果顯示，康復干預4周后，2組患者表面肌電圖信號均較治療前明顯改善，且研究組改善情況優于對照組（P<0.05）。異常步態的出現會導致大腦皮層“錯誤激活”，不利于大腦功能重建。表面肌電圖信號的變化可以反映患者肌肉功能變化水平，通過肌電圖采集肌肉活動的電信號用于肌肉活動分析，有助于更好地評估豐富環境下多重任務導向機器人訓練與腦卒中患者的交互作用，對患者進行步態訓練有重要意義。本研究結果提示，康復機器人為患者支撐相提供支撐，減少激活其他代償性肌肉，使患者肌肉活動模式更加接近正常步態，在擺動相增加踝關節的穩定性，激活脛骨前肌，使踝關節有充分的踝背屈角度，抑制患側下肢異常伸肌張力。

本研究中，豐富環境更有利于增強腦卒中患者神經的可塑性及運動感覺的恢復，有利于緩解患者的焦慮、抑郁情緒。豐富環境下多重任務導向機器人訓練可以提供多種訓練策略，為腦卒中患者提供精確、有效的任務導向訓練，誘導患者大腦神經重塑及運動學習，改善患者下肢運動功能，極大節約了醫療資源，降低了康復成本。同時，豐富環境下多重任務導向機器人反復、高效及精確的訓練模式，可以不斷的強化激活和刺激大腦相關功能區，加強運動信息的輸入，優化步行過程中身體的協同配合能力，有利于大腦對患側下肢功能區的重建。

綜上所述，腦卒中患者在經過康復機器人康復訓練后，下肢運動功能障礙得到改善，平衡功能和日常生活活動能力得到提高。但本研究樣本量較小，隨訪時間較短，具有一定的局限性，后續研究將持續增加樣本量，并進行長期隨訪跟蹤。