智能技术在卒中康复中的应用进展

康晓宇，刘丽旭

卒中后患者多存在运动、认知、言语及吞咽功能障碍，患者的日常生活活动能力（activities of daily living，ADL）需要大量帮助，给家庭及社会带来沉重的负担[1]。常规的康复治疗可促进卒中患者的功能恢复，但存在治疗师劳动强度大、治疗效率低、患者依从性低等诸多问题。面对卒中患者巨大的康复需求，应采取更有效的治疗手段[2]。近年来，随着智能技术、特别是人工智能（artificial intelligence，AI）的迅速发展，虚拟现实（virtual reality，VR）、脑机接口（braincomputer interface，BCI）及康复机器人等技术已逐渐被应用于卒中康复领域。本文分别对上述智能技术的概念、特点及其在卒中运动、认知及言语康复方面的应用进行综述。

1 智能康复技术

智能技术起源于20世纪50年代，是随着计算机技术、信息技术、精密传感技术的发展而逐渐发展起来的。AI是在逻辑学、统计学、认知心理学、决策理论、神经科学、语言学、控制理论和计算机工程等多种学科相互融合的基础上发展而来，是一门能模拟人类智能行为及规律的交叉学科[3-4]。面对患者日益增长的康复需求，现有的治疗手段有限且效率不高。因此，以VR、BCI和康复机器人为主的智能技术应运而生，逐渐应用于卒中康复领域并取得了良好的康复效果。

1.1 虚拟现实技术 VR起源于20世纪50年代，兴起于20世纪90年代，是一种以计算机模拟真实环境生成虚拟场景，用户通过接收视觉、听觉、触觉、运动、平衡和嗅觉等反馈与虚拟环境交互的技术。VR具有沉浸、交互、想象的特点，激励患者积极参与训练，通过反馈来促进患者的神经功能重塑[5]。VR可增加卒中亚急性期患者病灶对侧初级感觉运动皮层的偏侧化指数，诱导与运动恢复有关的皮质重组[6]。目前VR作为卒中后常规康复的补充手段以及出院患者的后续治疗手段，可以更好地为患者提供长期、持续的自我训练及家庭康复治疗。

1.2 脑机接口技术 BCI形成于20世纪70年代，近年逐步兴起。BCI可将大脑活动的电、磁或代谢性信号转换为可直接控制外部设备的控制信号，从而替代、增强或补充神经功能的输出，实现大脑与外部或内部环境之间的交互[7-8]。BCI通过外部设备（如机器人或肌肉电刺激）帮助肢体被动或主动运动以代偿丧失的运动功能，并刺激受损的神经网络，改善卒中慢性期患者大脑的可塑性，促进自主运动控制的再学习[9]。BCI可促进卒中后与功能恢复相关的大脑皮质重组，增强颞叶、额叶、枕叶、顶叶多个脑区间功能的连接，增强躯体的感觉、视觉、空间处理和运动学习的脑功能网络活动，从而促进神经功能恢复[10-11]。

BCI被分为侵入式与非侵入式2类。基于脑电图和脑磁图的非侵入性BCI虽然具有无创、安全、便捷等优点，但由于头皮、颅骨以及背景噪声等因素的影响，采集的信号不稳定且质量欠佳。侵入式BCI需要将电极植入脑内，属于微创手术，植入式电极可记录皮层脑电图和皮质内的神经元活动，大大改善了BCI监测脑信号的质量，使患者实现多自由度运动的控制，做出更复杂和具有功能性的动作，因此BCI的研发在未来具有很好的前景[12]。

1.3 康复机器人 康复机器人起源于20世纪80年代，是指可自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人体的某些功能，可产生多种力量和动作，帮助功能障碍患者进行康复训练[13]。康复机器人的核心特点为人机交互，即通过特定任务、镜像（他人运动视频）和VR（如有趣的游戏）诱导患者产生运动意图，以脑电或肌电信号的形式给患者提供运动效果的实时反馈，通过计算机的奖励程序强化运动反馈回路，激发下一个动作的动机，形成封闭的运动神经元通路[14]。康复机器人可使卒中后病灶同侧大脑半球初级感觉运动皮层、辅助运动区和运动前皮层的激活显著增加，促进病灶对侧大脑半球运动相关脑区的皮质重组，重新平衡大脑半球之间的连接，改善半球间抑制，促进神经的可塑性[15]。

康复机器人可分为上肢机器人、手部机器人和下肢机器人。早期上肢康复机器人为末端驱动式机器人，其辅助治疗方法为以一个点附着于患者关节且受限于模拟单一关节的运动。此后，上肢外骨骼机器人可由患者佩戴，允许更大活动范围的运动，并能集中于特定的关节运动[16]。在下肢康复机器人中，现有国内研究多局限于Lokomat机器人等固定减重平板步行训练机器人，训练过程中可能诱发患者的代偿运动，且工作模式单一枯燥，患者容易失去兴趣。外骨骼机器人通过传感器、肌电信号等设备监测肢体运动并自动调节辅助的强度及方向。目前ReWalk[17]、HAL[18]、Exowalk[19]、Ekso[20]、BEAR-H1[21]等下肢外骨骼机器人已在国外进行初步研究及应用，这些机器人可改善卒中患者的下肢运动功能、平衡及步行能力。下肢外骨骼机器人的特点是便携、可移动，适用于日常生活活动，可在真实路面行走以提供丰富环境与视觉刺激，有利于卒中患者功能的恢复及自信心的提升。但其稳定性相对于固定机器人较弱，且使用中存在一定跌倒风险，需要患者具备一定的运动及平衡能力，因此难以在卒中急性期开展，临床应用受限。一项meta分析显示，目前下肢外骨骼机器人的治疗时间及频率不统一，研究证据仍不充分[22]。此外，目前康复机器人仍达不到足够的智能水平，未来仍需开展进一步的研发。

2 智能康复新技术对卒中患者运动、认知及言语功能的影响

2.1 运动功能 VR、BCI及康复机器人技术的单独或联合应用可改善卒中患者的上、下肢运动功能，其中应用康复机器人的研究较多。

2.1.1 上肢康复 一项多中心随机对照试验分别对120例卒中亚急性期患者进行上肢VR训练与常规康复训练，结果显示VR训练与常规康复同样有效，但并不优于后者，VR可作为常规康复的补充，是一种激励性的训练[23]。Laver等[24]的meta分析亦支持上述结果。有研究者对卒中慢性期患者进行BCI治疗，6个月随访发现BCI可改善患者的上肢运动功能、肌张力及肌电活动[10]。研究提示，BCI可改善卒中慢性期患者长期的运动功能。

机器人辅助训练可促进卒中亚急性期患者的手部运动功能恢复，有研究者建议将其应用于卒中后的早期干预[25]。一项针对247例卒中亚急性期患者的多中心随机对照试验表明上肢康复机器人可显著改善患者的上肢运动功能和参与能力，并且其改善程度与常规康复疗法相似[26]。另一项多中心随机对照试验也证明与常规上肢治疗相比，机器人辅助训练对卒中后上肢功能的改善无额外获益[27]。鉴于高昂的治疗成本，未来的研究应探索上肢康复机器人应用于卒中患者的价值和效益。

BCI结合外骨骼机器人的研究提示联合治疗可改善卒中慢性期患者的上肢运动功能，这一系统治疗可应用于家庭环境中[28]。一项多中心随机对照试验表明外骨骼机器人联合基于运动想象的BCI干预可改善不同发病时间、不同严重程度和损伤部位卒中患者的手部运动功能[29]。上肢康复机器人辅助VR训练和常规康复治疗均可改善卒中慢性期偏瘫患者上肢的运动功能和ADL，前者疗效更优且对ADL有远期疗效[30]。一例卒中慢性期患者接受了为期3周，共10次的BCI联合VR训练并于1个月后随访发现患者Fugl-Meyer量表的上肢评分有明显改善且功能MRI显示大脑激活程度增加，表明BCI结合VR训练可促进卒中患者大脑运动网络的神经可塑性[31]。通过集成外部反馈如触觉反馈（如振动触觉）、功能性电刺激或机器人辅助等功能开发的VR-BCI混合系统允许患者在虚拟环境中运用思维控制运动，可能对卒中患者的上肢功能恢复更有效[32]。

综上所述，VR、BCI及康复机器人等智能技术的联合应用可改善卒中患者的上肢功能，且效果优于单独应用，或将成为未来卒中康复治疗的更优选择。

2.1.2 下肢康复 有研究显示VR结合常规康复训练可以改善卒中慢性期患者的平衡功能、步行能力及ADL，效果均优于常规康复治疗[33]。下肢康复机器人辅助步行训练可有效提高卒中慢性期患者的下肢运动功能与步行能力[34]。但也有研究表明，机器人辅助步行训练对卒中亚急性期患者运动能力的改善并不优于常规步态训练[35]。由于机器辅助训练对下肢功能改善程度的不确定性，加之其设备费用较高，因此，机器人辅助疗法应用于卒中下肢康复中的成本效益有待进一步考量。此外，有研究证明VR联合下肢康复机器人训练能改善卒中慢性期患者的步行能力及平衡功能，提示这可能是一种有前途的卒中康复联合治疗方法[36]。

2.2 认知及言语功能 VR可改善卒中患者的社会参与能力及记忆功能，在整体认知、注意力和执行功能方面亦有显著改善效果[37]。常规康复方法、单独机器人治疗及VR联合机器人治疗均可改善卒中患者的整体认知、执行功能及情绪，并能提高患者的ADL，且VR联合机器人治疗还可以改善患者的选择性注意、视空间能力及生活质量[38]，提示联合治疗对卒中患者认知恢复效果可能更佳。BCI拼写交流系统可激活卒中患者的语言回路，改善患者的神经可塑性，促进言语功能的恢复，使卒中失语患者进行简单的任务交流成为可能[39]。不过目前智能技术改善卒中患者认知及言语功能的研究证据仍不充足，有待未来进一步探索。

3 智能技术的优、缺点

与常规康复相比，智能技术的优势较多。VR和机器人辅助治疗可有效增加患者参与康复训练的频率和动机；机器人辅助治疗使训练运动剂量变得可控，也为制订和调整康复计划提供了客观依据，减轻了康复治疗师的负担。BCI不依赖骨骼肌肉系统，可为意识正常但神经系统受损的患者提供与外界交流的途径。因此，与传统康复治疗相比，智能技术高效、便捷、个体化、趣味的特点能帮助卒中患者实现更复杂的功能性运动，且与不同智能技术的联合应用疗效更佳。

目前智能技术仍存在不足。VR可能存在动作反馈延迟、患者感到头晕和高度紧张等技术缺陷，未来有待进一步优化[8]。BCI信号加工的稳定、长期记录会影响脑电信号的采集质量和应用；BCI-VR系统中，BCI为VR提供的控制指令不够稳定、有效、直观和灵活；使用视觉反馈的BCI虽然可以短期改善卒中患者的上肢功能，但患者可能会产生精神疲劳[40]；康复机器人可能会诱发患者的代偿运动，且工作模式单一枯燥，降低患者康复治疗的积极性；外骨骼机器人可能存在跌倒风险，在卒中康复中的应用仍很有限；此外，智能技术还存在设备昂贵，治疗成本高等问题，目前难以推广至社区或家庭康复中应用。

4 总结与展望

智能康复新技术可改善卒中患者的运动、认知及语言功能，但目前高质量的研究证据不多，这可能与研究缺乏随机分组和盲法、样本量不足、病程和病情严重程度不同、治疗方法及评价指标不一致、未进行长期随访等因素有关。因此，未来研究应更严格地控制研究对象的纳入标准，积极探索智能新技术的最佳干预时机及明确的治疗方案，开展大样本、多中心、设计合理、有长期随访的随机对照试验。随着传感器、材料、3D打印技术、AI算法等技术的发展，应大力研发更加安全、高效的康复新设备，促进远程康复与家庭康复的发展。此外，未来的研究应关注不同智能技术之间的联合治疗或与其他康复手段的联合治疗（如运动想象、镜像疗法、重复经颅磁刺激、功能性电刺激等）以产生更好的康复效果，从而促进智能新技术在卒中康复中的推广及应用。

【点睛】本文阐述了智能康复新技术对卒中患者的运动、认知及语言功能的影响。未来应促进不同智能技术联合治疗在卒中康复中的推广及应用。