上肢机器人在脑卒中患者功能恢复中的应用

朱朝叠 董娅南 郑发宇 乔娜 陈颖

脑卒中（stroke）特指急性脑血管病, 是急性发病的局灶性血管源性神经功能缺损综合征, 症状持续24小时以上或死亡,排除其他非脑血管病病因[1]。就目前我国每年约有240万人新发脑卒中，每年约有110万人死于该病，存活的脑卒中患者约1 100多万[2]。脑卒中患者常伴有不同程度的运动功能障碍，其中出现上肢运动功能障碍的患者约占80%，最终仅有30%的患者能恢复基本的上肢功能[3]。上肢机器人是一种逐渐兴起的治疗脑卒中患者上肢功能障碍的治疗技术，能提供高精度、高重复性的训练[4]。现就上肢机器人在脑卒中患者中的应用进行介绍。

1 上肢机器人的种类

目前,临床上应用的上肢康复机器人可分为外骨骼机器人、末端操作机器人、功能性电刺激辅助上肢康复机器人、基于表面肌电信号的上肢康复机器人、基于虚拟现实技术的上肢康复机器人和基于脑机接口的上肢康复机器人[5]。

2 上肢机器人的工作原理及方法

大脑能完成各种功能的关键是靠中枢神经系统，后者由神经元相互连接, 构成神经网络、神经环路[6]。脑卒中患者发病后可导致中枢神经损伤[7]，中枢神经系统发生损伤，神经组织再生会极度困难。但随着近年来对神经系统疾病康复领域的研究,人们发现中枢神经系统具有高度的可塑性,其可塑性发生在损害的早期或后期, 主要表现在新的突触连接的侧支发芽、神经发生、休眠突触活化、支配区转移和形成新的神经通路等几个方面[8]。

脑卒中具有高发病率、高死亡率、高致残率、高复发率和多并发症等特点[9]。脑卒中后及早的进行康复训练可以降低残疾的可能性。高强度、反复的训练可明显提高脑卒中患者上肢功能。在传统的康复治疗中，因治疗人员的限制，治疗的强度、次数和时间往往不能满足患者功能恢复的需要。而机器设备可提供密集的、可复制的、可定量的高强度运动训练辅助治疗，成为一种特异性的肢体运动功能训练方法，可以帮助脑卒中患者恢复上肢功能。以瑞士 Hocoma 公司生产的 ArmeoSpring 上肢康复机器人为例，它是一款能够配合虚拟现实游戏进行康复训练的外骨骼康复机器人。系统没有安装电动机，为主动训练设备，没有动力驱动，但具重力补偿的功能。患者通过穿戴外骨骼机器人，进行一定的评估后，选择相应的虚拟现实游戏进行主动的康复训练[8]。

利用上肢机器人进行肩关节屈、伸、内收、外展训练，肘关节屈、伸训练，前臂旋前、旋后训练。根据自由度可分为以下3类训练：（1）一维训练——单关节训练。（2）二维训练——多关节联合训练。（3）三维训练——在二维训练的基础上增加前后活动。系统另设游戏和虚拟作业训练，游戏结束时屏幕上方出现成绩，以增加训练的挑战性。通过生动有趣的游戏方式训练上肢的运动控制能力，增加了训练的趣味性。虚拟作业训练包括拾网球、擦窗、厨房做菜等，训练内容更贴近日常生活，增强了训练的目标性，可设置难易级别和关节活动范围，循序渐进进行[4]。

3 上肢机器人的优点

上肢机器人具备许多人类所无法比拟的优点，例如：长期稳定的重复训练，精确、客观的测定训练与运动参数，提供实时反馈、远程训练等。上肢机器人可根据患者情况单独训练特定的关节或多个关节复合训练，还具有多个运动自由度以供选择，帮助患者进行不同维度的运动训练，有利于提高肌力，增加关节活动度，降低肌张力，减少联合运动，促进分离动作形成，改善运动模式，使动作更加协调，帮助上肢运动恢复并改善神经肌肉支配能力。而近些年许多研究得出[10]，在对脑卒中患者进行常规肢体训练的同时加上上肢机器人训练可以有效提高训练效果。上肢机器人有利于解决许多常规肢体康复训练不能解决的问题，例如：依据患者的功能状态和兴趣为其选择适合的游戏,可以使患者进行有针对性的、由易到难和大重复量的主动运动训练，大脑收集、判断和整合信息，然后神经有效的支配运动，通过反馈，不断调整，形成优化的神经通路，支配相关肌肉的顺序、速度和力量，增强大脑的前馈能力和协调能力。在训练过程中，反复强化，有一定量的积累，能更好地促进中枢神经系统的功能重建，帮助患者在日常生活中更好地利用和训练上肢。

4 上肢机器人在脑卒中患者中的应用

上肢机器人的训练效果会因为介入时机和治疗时期不同而有所不同。何斌等[11]认为上肢机器人对提高急性期脑卒中患者ADL有一定帮助。张超等[12]研究也得出，上肢机器人应用于恢复期脑卒中患者可以有效地提高上肢运动功能及促进ADL的恢复。另有国外学者研究显示，上肢机器人对于脑卒中恢复晚期甚至是后遗症期的患者都有积极的影响[13]。国内学者认为，国外制造生产上肢机器人的技术迅猛发展，但是价格昂贵，治疗费用相对较高，会给患者带来较大的经济负担[14]。

5 小结

随着医疗水平的提高，医疗体系的逐步完善，人们对康复的认识逐步提高，康复意识增强，康复需求变大。上肢机器人在保证康复效果的同时解决了康复治疗师短缺这一现状。在此次所查阅文献中，各研究所纳入样本量12～60例不等，治疗周期4～12周不等，样本量都比较小，治疗周期比较短。希望以后研究加大样本量，延长治疗周期，能更好的反映上肢机器人的治疗效果。