上肢機器人在腦卒中社區康復中的應用

摘 要 目前，由于社區康復的大力發展，智能化機器逐漸進入社區，為不同的患者提供個性化訓練。在社區康復中，上肢機器人系統已被應用于腦卒中的康復訓練。患者通過在社區進行長期訓練，可改善上肢功能和提高生活質量。本文通過上肢機器人的分類、作用機制來探討上肢機器人在腦卒中社區康復中的應用。

關鍵詞 腦卒中；上肢機器人；康復治療；社區

中圖分類號：R743.3 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1533（2024）14-0001-04

引用本文 陳慧婷， 李冰潔， 于海艷， 等. 上肢機器人在腦卒中社區康復中的應用[J]. 上海醫藥， 2024， 45（14）： 1-4； 44.

Application of upper limb robots in community rehabilitation of stroke

CHEN Huiting1， LI Bingjie1， YU Haiyan1， MIAO Chunxiao1， JIANG Congyu2

（1. Department of Rehabilitation of Jiangninglu Community Health Service Center of Jingan District， Shanghai 200040， China； 2. Department of Rehabilitation Medicine of Huashan Hospital Affiliated to Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT At present， due to the vigorous development of community rehabilitation， intelligent machines have gradually entered the community to provide personalized training for different patients. The upper limb robot system is applied to rehabilitation training of stroke in the community rehabilitation. Through long-term training in the community， upper limb function and quality of life can be improved. This article discusses the application of upper limb robots in stroke community rehabilitation through the classification and mechanism of upper limb robots.

KEY WORDS stroke； upper limb robot； rehabilitation training； community

腦卒中是一種突發性的腦血管疾病，其發病率居高不下，死亡率和致殘率也相當驚人。腦卒中后遺留不同程度功能障礙，大約有75%的腦卒中患者在康復后仍然存在功能障礙，其中上肢運動功能受限占大多數，最終僅約20%的腦卒中患者在發病后6個月內可恢復部分上肢運動功能[1]。患者的日常生活和工作都極度依賴于上肢運動功能。上肢運動功能障礙將影響患者正常的生活、降低生活質量，同時也讓患者無法回歸社會工作，給患者的生活、經濟和工作造成極大負擔[2]。腦卒中患者在家人的陪伴下，在社區康復的過程中主要依靠治療師的協助或指導，并結合物理治療手段來完成康復訓練。患者康復治療的效果受治療師給予的訓練強度、患者能承受的訓練時間和訓練頻率等因素影響，且由于我國康復專業發展較晚，導致目前社區康復治療師數量缺口，社區康復無法滿足對患者進行個體化、高頻率、高質量的康復訓練[3]。上肢康復機器人引進社區是一種創新的康復訓練方式，在康復師數量不足的條件下，能夠滿足患者需求，為患者提供個性化、差異化的強化訓練。此外，機器人還可以提供各種聽覺、視覺、觸覺等感覺運動反饋，幫助患者易化運動學習[4]。因此，上肢機器人開始應用于腦卒中的社區康復治療，有效幫助患者改善上肢功能障礙和生活自理能力，對其回歸家庭的社會意義重大。

1 上肢機器人在社區康復中的現狀

2021年開始，上海市在“為民辦實事項目”的基礎上，相繼建成多家示范性社區康復中心，以便為社區居民提供省時、經濟、持續且智能化的康復服務。從而上肢機器人開始在社區康復治療中得到應用。我國上肢機器人在社區康復領域的應用研究相較于國外相對較晚，目前一些康復機器人技術仍處于探索階段或即將實現生產，因此在社區大規模推廣并投入使用方面，上肢機器人仍然面臨著諸多挑戰[5]。在社區康復治療中，老年患者占大多數，由于自身身體條件限制和抗拒心理，患者對使用康復機器人進行康復訓練，缺乏主動參與和嘗試康復機器人的康復治療體驗，導致對康復機器人的治療效果不加認可。社區醫院是居民家門口的醫院，雖然便利于民，但康復科在服務功能和內容等方面仍不能滿足社區居民就近康復的需求。目前，示范性康復中心雖較于其他社區康復科占地較大，但仍面臨著治療區域受限，上肢機器人體積大的缺點使其無法在社區康復中得到廣泛推廣與應用。

2 上肢機器人的分類

上肢機器人可以按照其運動意圖和反饋方式進行分類。根據運動意圖識別方法可以分為兩種，一種是基于肌電信號的康復機器人系統，另一種是基于腦機接口的康復機器人系統。由于反饋方式的不同，康復機器人系統可分為基于機器輔助（RA）、基于功能性電刺激（FES）和基于虛擬現實（VR）三種類型[6]。

2.1 基于肌電信號的康復機器人系統

2021年香港中文大學Shi等[7]研發了一種基于用肌電信號來驅動的柔性手部康復機器人系統，2022年香港理工大學Nam等[8]研發了一款Exoneuromusculoskeleton的上肢康復機器人系統，它通過肌電信號驅動融合神經肌肉電刺激、柔性氣動肌肉和外骨骼技術，以幫助康復患者恢復手部功能，旨在提供更全面的康復支持。但兩個系統均顯示該機器人系統的適用人群受到限制，安全性方面，增加患者患側肢體受傷的風險。

2.2 基于腦機接口的康復機器人系統

Carino-Escobar等[9]研發出一款基于運動想象（MI）的上肢康復機器人系統，相較于肌電信號的康復機器人系統，該系統更適用于無殘留肌電信號的重度偏癱患者。基于該系統，因想象動作所引起的神經活動區域與實際執行該動作的區域高度相似[10]。因此，認為腦電信號的主動運動意圖可以被視為腦卒中患者的康復效果和預后評估的一種客觀指標，為康復治療師提供了有價值的信息[11]。但同樣，該系統也受到適用人群的限制。

2.3 基于機器輔助的康復機器人系統

根據機器人系統的功能形式，基于機器輔助的康復機器人系統可以分為末端牽引式、外骨骼式以及最近興起的外肢體式三種。（1）末端牽引式：通過末端牽引式機器人，患者可進行被動康復訓練，機器人將引導患者按照預設軌跡進行肩關節和肘關節運動，從而達到腦卒中患者康復需求的目標。（2）外骨骼式：可實現患者單關節獨立運動和多關節復合運動，增加患側各關節活動范圍。（3）外肢體式：外肢體式是一種新型可穿戴式機器人系統[12]，這種機器人系統獨立存在于人體自然肢體外，由于目前對上肢康復機器人系統的研究還處于初級階段，雖然該機器人顯示了增強和重塑運動及神經功能的潛力，但對患者刺激運動功能并不直接，因此缺乏直接證據證明其對腦卒中患者的運動康復訓練有幫助。

2.4 基于功能性電刺激的康復機器人系統

通過施加一定程度的周期性電刺激，引發肌肉運動的發生，從而重建肌肉活動，改善患側肢體功能。因此，治療效果一定程度上受電流頻率、治療時間周期等參數影響。

2.5 基于虛擬現實的康復機器人系統

該系統模擬了多源信息融合的交互式三維動態視景和實體行為，為患者提供了與模擬多感官環境互動的機會[13]。基于虛擬現實的上肢康復機器人輔助康復訓練，該系統相較于傳統的物理療法，能夠顯著提高腦卒中患者上肢的運動功能水平，改善患者上肢功能障礙[14-15]。

3 上肢機器人的工作原理

腦卒中后功能恢復的基礎在于神經元結構的改變和再生[16]。腦卒中后，會有一些分子增加，這些分子可以促進樹突、軸突和突觸的結構重塑，同時也會有一些分子減少，這些分子會抑制軸突的可塑性。在存活的神經元中，會出現新的軸突和突觸，經過選擇和修剪后，部分失去神經連接的腦區會恢復一些連接[17-18]。腦卒中后，進行康復訓練能夠促進自身功能的快速恢復，同時也能通過外界刺激來引導形成備用和新生的神經回路，進而加強正確的神經環路、修復錯誤的神經回路[16]。

上肢機器人應用到腦卒中后上肢功能障礙患者的康復治療中，可以幫助患者在減重狀態下系統地進行功能性訓練，促進大腦協調和適應能力恢復，加強訓練效果，加速中樞神經系統的重塑。任務導向性訓練是一種基于功能異常特征的個性化康復方案，通過選擇相應的活動進行功能訓練和治療，以促進大腦功能的重組和恢復[19]。

4 上肢機器人的工作方法

上肢機器人的訓練模式包括主動、助動和被動三種，針對不同肌力等級的患者，在增加阻力或減重輔助力和訓練難度的前提下，可分別進行肩、肘、腕、手的單個關節各個方向運動和多關節協同訓練，每一項關節活動訓練都與患者工作中和日常生活中需要用到的上肢的動作緊密結合[20]。

4.1 主動模式

當患者的肌力達到3級及以上時，可以采用一種無限制方向的主動模式或抗阻模式，該模式要求患者積極參與肩部、肘部和腕關節的各個方向的活動。基于此，治療師可以給患者采用任務驅動訓練模式，并根據患者的上肢功能肌力、關節活動范圍受限程度和患者自身康復需求，結合其個人興趣愛好和回歸家庭的需求，選擇模擬日常活動或競技類游戲，讓患者進行虛擬作業進行訓練，例如打乒乓球、射擊、接水果、清潔窗戶、烹飪等。這些不同程度的模擬活動和游戲可以針對患者上肢不同位置的關節受限程度和不同的肌肉力量進行有針對性的鍛煉[21]，為提高患者的日常生活能力，將來回歸家庭打下基礎。

4.2 助力模式

患者肌力大于2級時可采用二維的助動訓練模式，該模式下系統力臂為患者提供助力，在特定的方向下，系統幫助患者進行相應的訓練，例如：擊打物品、尋找動物等。該模式有利于改善患者關節的穩定性和改善患者的手眼協調能力，增強肢體運動的聯動性。

4.3 被動模式

患者肌力小于2級及以下時可采用被動訓練模式，在此模式下，由于患者肌力不夠，上肢機器人系統不僅能夠為患者提供手臂減重的輔助力，還能提供特定的模式如單側忽略模式等。治療師可以根據患者需要調整停留時間和方向角度大小，以最大化增加患者的主動參與度，從而有助于維持并改善上肢關節的活動范圍和上肢肌肉力量[20]。此模式下需要患者視線注意顯示屏，上肢根據機械臂的移動進行撞擊物品的訓練，而不是像傳統的康復訓練，進行反復多次枯燥的上肢訓練。

上肢機器人在不同模式的訓練過程中為患者提供不同的、積極的視覺與聲覺反饋，從而抑制錯誤的運動模式，訓練正確的運動再學習過程，同時記錄訓練前后的評估信息和訓練信息，為治療師評估患者康復程度提供精確的數據。

5 上肢機器人在腦卒中社區康復中的前景

上肢機器人是基于康復醫學理論，運用機器人技術及計算機虛擬技術，通過模擬人體上肢運動規律，同時具有可調節上肢負重系統、多維訓練空間、實時直觀的反饋訓練信息和全面的評估系統。上肢機器人模擬正常人體上肢的規范運動軌跡，提供高密度、高頻率、多重復、趣味性的訓練，從而增強患者的腦組織學習，以提高患者對漫長康復過程的積極性。此外，通過訓練前后多次測量評估和量化運動追蹤患者的康復訓練效果，有效地實現了腦卒中患者康復訓練的最優化[22]。通過上肢機器人的訓練，患者上肢能夠獲得高強度、高重復度、高有效性的規范訓練，從而增加患者上肢感覺功能的輸入，改善神經傳導組織，促進大腦中樞神經功能重塑，進而改善上肢運動功能[23-24]。朱朝疊等[25]報道上肢機器人用于腦卒中患者的康復階段，可顯著提升患者上肢運動功能，同時促進患者在回歸家庭后對上肢的應用。上肢機器人應用于社區康復治療中，可對腦卒中患者進行康復、娛樂、家居服務于一體的高質量治療，同時將有力緩解社區社區康復治療師的稀缺現狀，提高社區康復中心服務水平，讓居民在家門口就可以享受邊界、優質、整合的康復服務，大幅度提高康復科的工作效率。

6 討論

腦卒中患者在生命體征穩定后，就可以介入康復治療訓練。在腦卒中后的第3個月，神經重塑達到了至關重要的階段，因此，在確保患者病情穩定的前提下，介入康復治療，可以最大程度地促進腦卒中患者的肢體功能恢復[16]。針對改善腦卒中后的上肢的傳統康復治療有作業治療、運動治療、中醫康復治療、言語治療、物理因子治療等。但以上治療均要求患者與治療師配合，而訓練時長及訓練效果都與患者的身體狀態、患者的心理狀態以及治療師的水平密切相關。因此，尋求一種全面而有效的康復訓練方案已成為當前康復領域備受矚目的議題[26]。隨著當今社會腦卒中發病率越來越高且有年輕化趨勢，傳統康復治療已經無法滿足患者，因此上肢機器人在社區的應用逐漸提高。

上肢機器人將智能控制、游戲與肢體運動用機器人系統完美結合，可以幫助腦卒中患者完成各種康復運動，具有傳統康復治療訓練無法比擬的優點：代替治療師完成高強度、高密度的重復性勞動 ，彌補目前社區治療師不足的現狀，能夠使患者得到客觀、周期性、個性化的治療。由于控制系統施加了精確的驅動力矩，對評估系統、治療數據和運動參數以及訓練次數詳實記錄，便于醫生與治療師根據數據做出客觀評價，及時改善治療方案。上肢機器人模擬正常機體的規范運動軌跡，提供高度密集、個性化的訓練，可增強神經元突觸的可塑性和重組過程，從而使患者在社區康復有信心并能進行長期的康復訓練[27]。上肢機器人通過將康復訓練項目轉化為虛擬技術與上肢機器人相結合的游戲，患者在治療過程中獲得更多的樂趣，同時也增強了他們參與康復訓練的積極性。訓練內容更加貼近日常生活，為患者回歸家庭和社會做準備，同時也增強了訓練的目標導向性，可根據不同難度級別和關節活動范圍進行特異化設置，循序漸進進行[28]。治療師的雙手被上肢機器人解放，從而消除了他們的經驗和技術對患者療效的影響，同時打破了患者對傳統康復訓練枯燥乏味的缺陷，大大提高了訓練效率和訓練效果[29]。

社區因其地理優勢，對腦卒中患者能夠長期、穩定地進行康復訓練提供了便利條件，減輕患者及家屬經濟負擔。社區康復以其經濟、便捷的優勢，目前正在我國大力推行中。作為回歸家庭和社會的必不可少的一部分，社區康復已被研究證實了，對患者的改善功能、提升患者生活質量作用明顯[30]。腦卒中后早期介入、有效、正確的康復功能訓練能加快機體功能恢復進程，減輕功能殘疾，節約社會資源[31]。大量的研究表明，將上肢機器人系統應用于社區康復，同時與傳統康復訓練相結合，能夠更有效地改善患者上肢運動功能障礙，縮短其運動功能的恢復時間，從而有效提高腦卒中患者在社區康復中的效率[32-33]。因此，上肢機器人在腦卒中患者社區康復治療的過程中必不可少。依托社區康復具備的便利性、有效性特點，減輕了患者及其家屬的經濟、精神壓力，從而提高了患者生活質量及家庭滿意度[34]。患者身心壓力減少的同時，其康復治療訓練的將達到更好的效果，加快患者運動功能的恢復，達到盡早回歸家庭，回歸社會的目標。

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