外骨骼機器人步態訓練系統聯合經顱直流電刺激對腦梗死患者下肢運動功能及步行能力恢復的療效研究

摘要 目的：探討外骨骼機器人步態訓練系統聯合經顱直流電刺激（tDCS）對腦梗死患者下肢運動功能及步行能力恢復的療效。方法：選取2022年1月—2023年12月于西安大興醫院治療的腦梗死患者120例作為研究對象，采用隨機數表法將其分為對照組、機器人組、tDCS組和聯合治療組，每組30例。四組患者均接受常規康復治療，機器人組在此基礎上增加外骨骼機器人步態訓練，tDCS組增加tDCS治療，聯合治療組同時接受外骨骼機器人步態訓練和tDCS治療。于治療前、治療4周及治療8周分別評估患者的下肢運動功能、平衡功能、步行能力及日常生活活動能力及神經可塑性。結果：治療4周和8周后，四組患者的Fugl-Meyer下肢運動功能量表（FMA-LE）評分、Berg平衡量表（BBS）評分、10米步行測試（10MWT）、功能性步行量表（FAC）評分、改良Barthel指數（MBI）評分、腦卒中專用生活量表（SS-QOL）評分及運動誘發電位（MEP）潛伏期和波幅均較治療前顯著改善（Plt;0.05）。與對照組相比，機器人組和tDCS組的各項評分均顯著提高（Plt;0.05）。聯合治療組在FMA-LE、BBS、10MWT、FAC、SS-QOL評分及MEP潛伏期和波幅方面顯著優于其他三組（Plt;0.05），MBI評分優于對照組和tDCS組（Plt;0.05），但與機器人組差異無統計學意義（Pgt;0.05）。結論：外骨骼機器人步態訓練系統和tDCS均能有效改善腦梗死患者的下肢運動功能、步行能力、日常生活活動能力和生活質量。兩種方法聯合應用具有協同效應，可能通過促進神經可塑性，加速運動功能的康復，為腦梗死患者的康復治療提供了新的有效方案。

關鍵詞 腦梗死；外骨骼機器人；經顱直流電刺激

中圖分類號 R743 R493 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2025）01-0060-09

Curative effect of exoskeleton robot gait training system combined with transcranial direct current stimulation on the recovery of lower limb motor function and walking ability in patients with cerebral infarction

ZHENG Chunli1， JIN Yanchun2， ZHANG Dawei3

（1.Department of Neurology， Xi’an Daxing Hospital， Xi’an 710016， China; 2.Neuromodulation Center， Shaanxi Rehabilitation Hospital， Xi’an 710065， China; 3. No. 2 Department of Physical Therapy， Shaanxi Rehabilitation Hospital， Xi’an 710065， China）

Abstract Objective： To investigate the curative effect of exoskeleton robot gait training system and transcranial direct current stimulation （tDCS） on the recovery of lower limb motor function and walking ability in patients with cerebral infarction.

Methods： 120 patients with cerebral infarction in Xi’an Daxing Hospital from January 2022 to December 2023 were selected and divided into the control group， robot group， tDCS group， and combination treatment group， with 30 patients in each group. All patients received conventional rehabilitation treatment， while the robot group added exoskeleton robot gait training， the tDCS group added tDCS therapy， and the combined treatment group received both exoskeleton robot gait training and tDCS therapy. Assessments of lower extremity motor function， balance function， walking ability， activities of daily living， and neuroplasticity were conducted before treatment， 4 weeks and 8 weeks after treatment. Results： After 4 and 8 weeks of treatment， the Fugl-Meyer assessment of lower extremity （FMA-LE） scores， Berg balance scale （BBS） scores， 10-meter walk test （10 MWT）， functional ambulation category scale （FAC） scores， modified Barthel index （MBI） scores， stroke-specific quality of life scale （SS-QOL） scores， incubation period and amplitude of motor evoked potential （MEP） were all improved significantly compared to those before treatment （Plt;0.05）. And all scores were significantly improved in both the robot group and the tDCS group compared to the control group （Plt;0.05）. In terms of FMA-LE， BBS， 10 MWT， FAC， and SS-QOL scores， as well as incubation period and MEP amplitude （Plt;0.05）， the combination treatment group outperformed the other three groups. Additionally， MBI scores of the combination treatment group were better than the control and tDCS groups （Plt;0.05）， but the difference was not statistically significant comparing with the robot group （Pgt;0.05）. Conclusion： In patients with cerebral infarction， the exoskeleton robot gait training system and tDCS both can effectively improve the lower limb motor function， walking ability， activities of daily living， and quality of life. The combined application of the two methods has a synergistic effect， which may accelerate the rehabilitation of motor function through improving neuroplasticity and provide a new and effective scheme for the rehabilitation of cerebral infarction patients.

Key words Cerebral Infarction; Exoskeleton Robot; Transcranial Direct Current Stimulation

腦梗死是由于腦部血液供應障礙導致的局限性腦組織缺血性壞死或軟化疾病，是最常見的腦血管疾病之一[1-3]。近年來，隨著康復醫學和生物醫學工程的快速發展，一些新型康復技術和設備在腦梗死患者的康復治療中得到廣泛應用。外骨骼機器人步態訓練系統和經顱直流電刺激（Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）是其中兩種備受關注的康復方法。外骨骼機器人步態訓練系統是一種基于機器人技術的康復設備，可以模擬正常人體步態，協助患者完成重復性、高強度的步行訓練[4-5]。該系統通過提供精確、可控的步態模式，幫助患者重建正確的步行模式，促進神經系統的可塑性重組[6]。相較于傳統的步態訓練方法，外骨骼機器人步態訓練系統具有訓練強度高、重復次數多、精確度高等優點，可以更有效地改善患者的下肢運動功能和步行能力[7]。多項研究表明，外骨骼機器人步態訓練可顯著改善腦卒中患者的步行速度、步長和平衡功能[8-9]。tDCS是一種無創性腦刺激技術，通過在頭皮上施加微弱的直流電，調節大腦皮層的興奮性，從而影響神經系統的功能[10]。研究表明，tDCS可以促進神經可塑性，改善運動功能和認知功能[11]。在腦梗死患者的康復治療中，tDCS已被證實能夠促進運動功能的恢復，特別是在改善上肢運動功能方面取得了較好的效果[12-13]。有研究發現，tDCS可以通過增強大腦皮層的興奮性和可塑性，促進運動學習和運動控制的恢復[14]。然而，目前關于外骨骼機器人步態訓練系統和tDCS聯合應用于腦梗死患者下肢運動功能及步行能力恢復的研究相對較少。考慮到兩種方法各自的優勢和作用機制，外骨骼機器人步態訓練系統可提供精確的運動模式和高強度的重復訓練，而tDCS可通過調節大腦皮層興奮性來增強神經可塑性，兩者結合可能會在神經功能重塑和運動功能恢復方面產生更好的效果[15]。我們假設將外骨骼機器人步態訓練系統與tDCS聯合應用可能會產生協同效應，進一步提高腦梗死患者的康復效果。因此，本研究旨在探討外骨骼機器人步態訓練系統聯合tDCS對腦梗死患者下肢運動功能及步行能力恢復的療效，以期為腦梗死患者提供更有效的康復方案，提高其生活質量，同時為未來的康復治療研究提供有價值的參考。

1 資料與方法

1.1研究對象 選取2022年1月—2023年12月在西安大興醫院住院治療的腦梗死患者120例作為研究對象。本研究已獲得醫院倫理委員會批準。

1.2納入標準 ①符合腦梗死的診斷標準[16]，并經頭顱CT或MRI確診；②首次發病，病程在2周～3個月，且病情穩定至少2周；③年齡18～75歲；④意識清楚，能夠理解和執行簡單指令，簡易精神狀態檢查量表（Mini-mental State Examination，MMSE）評分gt;21分；⑤下肢肌力≥Ⅱ級（徒手肌力檢查法）；⑥改良Ashworth痙攣評分≤2級；⑦靜息血壓lt;140/90 mmHg；

⑧患者或家屬簽署知情同意書。

1.3排除標準 ①合并嚴重心、肝、腎功能不全者；②有癲癇病史或近期出現癲癇發作者；

③有嚴重認知障礙或精神疾病者；④合并嚴重骨關節疾病，影響下肢功能者；⑤有顱內金屬植入物、心臟起搏器等不適合接受tDCS治療者；⑥皮膚有破損、感染等不適合接受tDCS治療者；⑦參與其他臨床試驗者；⑧有嚴重的視覺或聽覺障礙影響評估和治療者；⑨有嚴重的平衡障礙或暈厥史，不能安全進行步態訓練者。

1.4分組方法 樣本量的計算基于預期主要結局指標Fugl-Meyer下肢運動功能量表（Fugl-Meyer Assessment of Lower Extremity，FMA-LE）評分的改善程度。根據前期預實驗結果，預期聯合治療組比單一治療組FMA-LE評分改善程度高3分，標準差為4分，設α=0.05（雙側），

β=0.1，樣本量計算公式為n=2[（Zα/2+Zβ）σ/δ]2，

得出每組所需樣本量為23例。考慮到可能的脫落率約20%，最終確定每組30例，共120例。將120例患者隨機分為對照組、機器人組、tDCS組和聯合治療組。隨機分組由獨立的統計學專家使用計算機生成的隨機數序列完成，確保分組的隱蔽性。評估人員對分組情況不知情，以保證評估的客觀性。

1.5治療方法 所有治療均由經過統一培訓的治療師完成。為減少治療師經驗差異的影響，采用輪換制，確保每組患者均接受不同治療師的治療。

1.5.1對照組 接受常規康復治療，包括運動療法、作業療法、物理因子治療等，每天治療2 h，每周5天，共8周。具體內容如下，①運動療法：關節活動度訓練、肌力訓練、平衡訓練、步行訓練等；②作業療法：日常生活活動能力訓練；③物理因子治療：低頻電刺激、中頻電療等。

1.5.2機器人組 在常規康復治療的基礎上，增加外骨骼機器人步態訓練（如圖1）。采用Lokomat Pro（Hocoma AG，瑞士）外骨骼機器人步態訓練系統，每次訓練30 min，每天1次，每周5天，共8周。訓練過程中根據患者的耐受程度和恢復情況逐步調整訓練參數，如步行速度、體重支持比例、導引力等，具體方案如下。第1～2周：步行速度1.0～1.5 km/h，體重支持50%～60%，導引力80%～90%；第3～4周：步行速度1.5～2.0 km/h，體重支持40%～50%，導引力70%～80%；第5～6周：步行速度2.0～2.5 km/h，

體重支持30%～40%，導引力60%～70%；第7～8周：步行速度2.5～3.0 km/h，體重支持20%～

30%，導引力50%～60%。

1.5.3 tDCS組 在常規康復治療的基礎上，增加tDCS治療（如圖2）。采用Soterix Medical 1x1 tDCS刺激器（Soterix Medical Inc.，美國），陽極（5 cm×7 cm）置于受損半球初級運動皮層（M1）區域（C3或C4，根據10-20國際腦電圖電極放置系統），陰極（5 cm×7 cm）置于對側額上區（Fp1或Fp2）。刺激強度為2 mA，持續時間20 min，每天1次，每周5天，共8周。為了確保安全性和有效性，每次治療前檢查電極與皮膚的接觸情況，并詢問患者是否有不適感。

1.5.4聯合治療組 在常規康復治療的基礎上，同時接受外骨骼機器人步態訓練和tDCS治療，治療方案同上述機器人組和tDCS組。tDCS治療在機器人步態訓練之前進行，兩者訓練間隔不少于30 min。

所有患者在治療期間繼續接受常規藥物治療，包括抗血小板、調脂、降壓等。

1.6觀察指標 在治療前、治療4周及治療8周

分別評估以下指標：①下肢運動功能：采用FMA-LE評分[17]進行評估，評估內容包括反射活動、協同運動模式、離開協同運動、協調性和速度等。滿分34分，分數越高表示下肢運動功能越好。②平衡功能：采用Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）[18]進行評估，評估內容包括坐位平衡、站立平衡、轉移等14個項目。滿分56分，分數越高表示平衡功能越好。③步行功能：采用10米步行測試（10-Meter Walk Test，10MWT）[19]進行評估，記錄患者以舒適速度行走10米所需時間，取3次測試的平均值。④功能性步行分級：采用功能性步行量表（Functional Ambulation Category Scale，FAC）[20]

進行評估，分為0～5級，0級表示不能行走或需要兩人以上幫助；1級表示需要一個人持續強力支撐才能行走；2級表示需要一個人持續或間斷支撐才能行走；3級表示需要口頭指導或監督才能行走；4級表示能在平地上獨立行走，但在斜坡、樓梯等需要幫助；5級表示能在各種地形上獨立行走。⑤日常生活活動能力：采用改

良Barthel指數（Modified Barthel Index，MBI）[21]

進行評估，評估內容包括進食、洗澡、穿衣、如廁等10個項目。滿分100分，分數越高表示日常生活活動能力越好。⑥生活質量：采用腦卒中專用生活質量量表（Stroke Specific Quality of Life Scale，SS-QOL）[22]進行評估，包括12個維度共49個條目，每個條目1～5分，總分49～245分，分數越高表示生活質量越好。⑦神經可塑性：采用經顱磁刺激測量運動誘發電位（Motor Evoked Potential，MEP）的潛伏期和波幅，以評估皮質脊髓束的完整性和興奮性[23]。使用Magstim Rapid2磁刺激器（Magstim Company Ltd.，UK）進行測量，刺激強度為運動閾值的120%，記錄對側拇短展肌的MEP。⑧觀察兩組患者的不良反應。

所有評估均由經過培訓、不知曉分組情況的評估人員完成，以確保評估的客觀性和可靠性。

1.7統計學方法 所有數據均采用SPSS 25.0軟件進行統計分析。計量資料以均數±標準差（x±s）表示，組間比較采用單因素方差分析，組內不同時間點比較采用重復測量方差分析。計數資料以例數（百分比）[n（%）]表示，采用 χ2檢驗。采用Bonferroni法進行多重比較的校正。Plt;0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1一般資料 四組患者一般資料比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），具有可比性（見表1）。

2.2下肢運動功能 四組患者治療前FMA-LE評分比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周

和8周后，四組患者FMA-LE評分均較治療前提高，機器人組、tDCS組和聯合治療組FMA-LE

評分均高于對照組，聯合治療組高于機器人組和tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表2。

2.3平衡功能 四組患者治療前BBS評分比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周和8周后，四組患者BBS評分均較治療前顯著提高，機器人組、tDCS組和聯合治療組BBS評分均高于對照組，聯合治療組高于機器人組和tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表3。

2.4步行功能

2.4.1 10MWT 四組患者治療前10MWT比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周和8周后，四組患者10MWT結果均優于治療前，機器人組、tDCS組和聯合治療組10MWT結果優于對照組，聯合治療組10MWT結果優于機器人組和tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表4。

2.4.2 FAC評分 四組患者治療前FAC評分比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周和8周后，四組患者FAC評分均較治療前提高，機器人組、tDCS組和聯合治療組FAC評分均高于對照組，聯合治療組FAC評分顯著高于機器人組和tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表5。

2.5日常生活活動能力 四組患者治療前MBI評分比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周

和8周后，四組患者MBI評分均較治療前提高，機器人組、tDCS組和聯合治療組MBI評分高于對照組，聯合治療組高于tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），但聯合治療組與機器人組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表6。

2.6生活質量 四組患者治療前SS-QOL總分比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周和8周后，四組患者SS-QOL總分均較治療前提高，機器人組、tDCS組和聯合治療組SS-QOL總分高于對照組，聯合治療組高于機器人組和tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表7。

2.7神經可塑性

2.7.1 MEP潛伏期 四組患者治療前MEP潛伏期比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周和8周后，四組患者MEP潛伏期均較治療前縮短，機器人組、tDCS組和聯合治療組MEP潛伏期短于對照組，聯合治療組短于機器人組和tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表8。

2.7.2 MEP波幅 四組患者治療前MEP波幅比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05）。治療4周和8周后，四組患者MEP波幅均較治療前增加，機器人組、tDCS組和聯合治療組MEP波幅高于對照組，聯合治療組高于機器人組和tDCS組，差異有統計學意義（Plt;0.05），機器人組與tDCS組比較，差異無統計學意義（Pgt;0.05），見表9。

2.8不良反應 在治療過程中四組均未觀察到嚴重不良反應。tDCS組和聯合治療組中各有2例患者出現輕微頭皮刺痛或瘙癢感，均在治療結束后自行緩解。機器人組和聯合治療組中各有1例患者出現輕微肌肉酸痛，經適當調整訓練強度后癥狀消失。所有不良反應均未影響治療的進行。

3 討論

本研究探討了外骨骼機器人步態訓練系統聯合tDCS對腦梗死患者下肢運動功能及步行能力恢復的療效。研究結果顯示，相比單一治療方法，聯合治療在改善患者下肢運動功能、平衡能力、步行能力、日常生活活動能力和生活質量等方面具有更顯著的效果。這種聯合治療方案可能通過促進神經可塑性，加速運動功能的恢復，為腦梗死患者的康復治療提供了新的思路和臨床依據。

首先，在下肢運動功能方面，聯合治療組FMA-LE評分的改善程度顯著高于其他三組。這可能是由于外骨骼機器人步態訓練系統提供的高強度、重復性訓練與tDCS促進大腦皮層可塑性的協同作用[24-26]。機器人輔助步態訓練可以幫助患者重建正確的步行模式，激活相關運動神經網絡[27]，而tDCS則可能通過調節大腦皮層的興奮性，增強運動學習和運動控制的恢復[28]。外骨骼機器人步態訓練系統的作用機制可能包括以下幾個方面：①提供精確、可重復的步態模式，有助于重塑正確的運動模式；②通過高強度、高重復次數的訓練，促進神經可塑性；③提供適當的體重支持，減輕患者負擔，使其能夠完成更多訓練量。tDCS的作用機制可能涉及：①調節皮層神經元的興奮性；②促進長時程增強和長時程抑制，從而增強神經可塑性；③調節神經遞質的釋放，如谷氨酸和γ-氨基丁酸的平衡。這兩種技術的結合可能產生協同效應，更有效地促進神經重塑和功能恢復。

其次，在平衡功能和步行能力方面，聯合治療組同樣表現出更好的改善效果。BBS評分、10MWT結果和FAC評分均支持這一發現。外骨骼機器人步態訓練系統可以提供精確的體重支持和步態引導，有助于患者重建平衡感和步行模式[29]。同時，tDCS可能通過增強運動皮層的可塑性，促進平衡和步行相關神經網絡的重組[30]。

這種雙重作用可能是聯合治療在改善平衡功能和步行能力方面優于單一治療的原因。我們的研究將這一發現擴展到腦梗死患者群體，并結合tDCS技術，獲得了更好的治療效果。平衡功能和步行能力的改善可能與以下幾個因素有關：①機器人輔助訓練提供的感覺輸入和本體感覺反饋，有助于重建身體平衡感；②tDCS可能增強了與平衡和步行相關的皮質區域的可塑性，如初級運動皮層、補充運動區和前運動皮層；③聯合治療可能促進了皮質脊髓束和皮質網狀體束等下行運動通路的重組和功能恢復。未來的研究可以通過功能性神經影像技術，如功能性磁共振成像或彌散張量成像進一步探索這些機制。

在日常生活活動能力方面，雖然聯合治療組的MBI評分顯著高于對照組和tDCS組，但與機器人組相比差異并不顯著。這可能是因為日常生活活動能力的恢復不僅依賴于下肢功能的改善，還與上肢功能、認知功能等多個因素相關[31]。這一結果提示我們，在未來的研究中，可以考慮增加上肢訓練和認知訓練，以進一步提高患者的日常生活活動能力。

生活質量的改善是康復治療的重要目標

之一。本研究發現，聯合治療組在SS-QOL評分方面顯著優于其他三組。這可能是由于聯合治療在改善患者運動功能、日常生活活動能力等方面的綜合效果，進而提高了患者的生活質量[32]。這一結果強調了全面康復的重要性，不僅要關注身體功能的恢復，還要注重患者整體生活質量的提升。Aprile I等人[32]的研究也發現，機器人輔助步態訓練可以改善亞急性期腦卒中患者的臨床和步態結果，我們的研究進一步證實了這一點。在神經可塑性指標方面，聯合治療組表現出MEP潛伏期的顯著縮短和波幅的顯著增加，這反映了皮質脊髓束興奮性的提高和功能的改善[33]。這一結果支持了聯合治療可能通過促進神經可塑性來改善運動功能的假設，為理解聯合治療的作用機制提供了重要的神經生理學證據。

本研究還有一些局限性需要在未來的研究中進一步改進，主要有以下幾個方面。①樣本量相對較小，未來可以增加樣本量以提高研究的統計效力；②隨訪時間較短，本研究僅觀察了8周的治療效果，未來研究可以延長隨訪時間，評估長期療效；③本研究未探討不同治療方案的最佳組合方式和劑量，未來可以設計更精細的實驗方案，探索最佳的治療參數和組合方式；④本研究未涉及神經影像學評估，如功能性磁共振成像等，未來研究可以結合神經影像學技術，深入探討治療的神經機制；⑤本研究僅關注了下肢功能的恢復，未來可以擴展到上肢功能、認知功能等方面，全面評估聯合治療對腦梗死患者康復的影響。

綜上所述，外骨骼機器人步態訓練系統聯合tDCS能夠顯著改善腦梗死患者的下肢運動功能、平衡能力、步行能力、日常生活活動能力和生活質量，其效果優于單一治療方法。這種聯合治療方案可能通過促進神經可塑性，加速了運動功能的恢復。本研究為腦梗死患者的康復治療提供了新的思路和臨床依據，有望在未來的康復實踐中得到廣泛應用，但仍需進一步的大樣本、長期隨訪研究來驗證這一治療方案的長期效果和安全性。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：鄭春利負責設計論文框架，起草論文；金巖春、張大偉負責實驗操作，研究過程的實施；鄭春利、金巖春、張大偉均負責數據收集，統計學分析，繪制圖表；金巖春負責論文修改；鄭春利、金巖春負責擬定寫作思路，指導撰寫文章并最終定稿。

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收稿日期：2024-07-11

編輯：崔明璠

基金項目：2022年度衛生健康科研項目（2022D071）

Foundation Item： 2022 Health Research Project（2022D071）

通訊作者：張大偉，Email：517101919@qq.com

Corresponding Author： ZHANG Dawei， Email： 517101919@qq.com

引用格式：鄭春利，金巖春，張大偉. 外骨骼機器人步態訓練系統聯合經顱直流電刺激對腦梗死患者下肢運動功能及步行能力恢復的療效研究[J]. 機器人外科學雜志（中英文），2025，6（1）：60-68.

Citation： ZHENG C L， JIN Y C， ZHANG D W. Curative effect of exoskeleton robot gait training system combined with transcranial direct current stimulation on the recovery of lower limb motor function and walking ability in patients with cerebral infarction[J]. Chinese Journal of Robotic Surgery， 2025， 6（1）： 60-68.