下肢机器人辅助脑卒中患者下肢运动功能康复的研究进展

侯世威 陈慧华 苏郑明

1广州医科大学附属第五医院教学科，广州 510700；2广州医科大学附属第五医院泌尿外科，广州 510700；3广东高校生物靶向诊治与康复重点实验室，广州 510700

机器人在康复治疗领域的应用可以追溯到20世纪90年代。随着神经病学专业领域的发展，脑卒中病死率逐渐下降，但是随之而来的残损、残疾、残障等问题日益突出，严重影响患者日常生活能力及社会参与能力［1］。因此脑卒中后的功能康复成为了人们关注的焦点，其在脑卒中患者出现的各种运动功能障碍中以下肢运动功能障碍最为突出，具体表现为步态不对称、重心转移差、下肢各关节活动受限等［2］。随着康复工程学的快速发展，新型下肢机器人的发明与改进可以更好地辅助治疗师进行常规手法治疗，减少治疗师的体力劳动以缓和治疗师不足的矛盾。同时对于患者，新型下肢机器人可以提供更优质的医疗服务，加速患者功能障碍的恢复，为患者及家庭减轻负担。本文从3个不同角度对机器人辅助康复进行综述：下肢机器人与人之间的互动类型，下肢机器人辅助治疗的实现以及曾经使用过的机器人设备所针对的感觉运动路径。

下肢机器人的介绍

下肢机器人主要分为两类，一种是以穿戴型的外骨骼为基本构造，另一种是以充当人体效应器的仿生腿为基本构造［3］。本文主要针对下肢尚存的脑卒中患者展开讨论，并以穿戴型外骨骼为基本样态的下肢机器人作为核心论点。因为运动是由中枢神经系统和骨骼肌肉系统之间复杂综合的相互作用结果，所以对患者下肢最有效的康复方法之一就是利用步态分析，以结构化方式重构并强化下肢的感觉机制［4］。下肢机器人和机电系统的设计目的是通过特定的重复运动协调练习和神经重塑原理来唤起肌肉的激活、协同作用和神经可塑性［5-6］。由于脑组织不能像损伤前那样简单地修复，为了恢复行走等身体能力，大脑必须沿着完整的、活跃的神经通路连接，同时尽可能激活不常使用的神经通路进行代偿［7］。外国科学家早期研究是以步态模式为核心，建构关节在三维空间活动的模型［8-9］，同时强调个性化方案和重复任务驱动型训练，尽可能增强关节的稳定性和协调性，保证康复治疗的效率。下肢机器人可通过医师的反复测试重点参数和对运动数据的反馈，可释放微电刺激并辅以弹簧装置，增强下肢的兴奋性，从而调控关节活动度［10］。现有的下肢机器人通常是与医院现有的跑步机相结合，治疗师利用跑步机上的测量数据进一步制定个性化的运动处方，例如接入肺功能测量设备测量患者呼吸频率等数据。在跑步机上可设置三维脚架，通过吊绳减轻患者的负重，患者能够自身承受剩余体质量，充分发挥下肢残余功能进行代偿。伴随患者肌力的恢复，其逐渐过渡到完全抗自身重力及部分抗阻［11］。下肢机器人可联合虚拟现实（VR）设备为患者提供视觉反馈，刺激本体感觉，最终实现加速神经功能重塑的目的。综上所述，下肢机器人在治疗流程中发挥着传感器、矫形器、减负器及重复工作机的作用。

下肢机器人辅助治疗流程

在康复治疗的流程中，治疗师通过下肢机器人的自动化运行确定康复阶段，有利于开展或者暂缓新一轮的较高强度的重复训练。在下肢机器人与患者的交互层面上，治疗师从中获得大量的物理参数，在治疗流程中可以明确实现下肢机器人的治疗作用［12］。同时在一种治疗流程中，下肢机器人可以实现多种交互类型使之完成多个子目标。

1.减重

下肢机器人与跑步机组合可实现体质量支持的作用。传统康复形式是地面支持系统，治疗通过治疗师的搀扶进行，按照肢体近端到远端的顺序增强患者肌力，实现患者从站立到行走的巨大改变。因此当脑卒中患者肌肉严重萎缩，不能独立支撑自己的体质量时，患者的平衡能力也会受到极大影响。下肢机器人-跑步机组合可以通过滑轮减轻不同程度的负重，最大限度减少患者的平衡失调，可以尽最大限度使患者在跑步机上进行独立训练，减少治疗师的工作量［13］。同时该组合可以增强患者的肌力，最终让患者完全控制自己的身体姿势［14］。下肢机器人也可以独立工作，通过在房间内铺设轨道和滑轮装置，患者可以训练运动神经通路，让自己独立进行体位转移，治疗师只需在一旁监督并提供一定程度的保护即可。

2.脚板跑步机

早期的下肢康复治疗较多采用脚部和腿部附着物进行物理治疗和运动研究。这种方法主要用于脑卒中早期患者卧床不起或坐轮椅。在物理治疗师的辅助下，患者使用这些附着物进行高强度训练可以改善步态，同时这些附着物也可以应用于阻力训练［15］。其中最重要的附着物是脚板，它们通常被驱动来将脚移动到另一个轨道上。通过控制脚板与脚的相互作用，脚板具有能够模拟不同行走表面的优势，例如楼梯、斜坡和不平坦的表面。一些特殊脚板存有固定平台的模式，允许患者坐立或站立，并且可以辅助他们保持平衡。固定平台的脚板可以为患者减重，帮助无法支撑体质量的患者进行运动训练。

3.关节活动矫正

在神经康复领域中，受到最多关注的下肢机器人类别是外骨骼和动力矫形器。许多康复治疗的方式都是通过外骨骼或动力矫形器，它们附着在受试者的腿上，并直接在一个或多个关节上产生致动扭矩［16］。通过电机和相应控制器，外骨骼和动力矫形器可以提供精确的关节扭矩。根据运动处方的目标，这些机器组合可以和跑步机一起使用，在不同方面改善运动功能恢复的结果。一些外骨骼专注于脊髓损伤的患者，并具有机械设计和控制属性，也可以应用到脑卒中康复。下肢机器人在治疗的过程可以充当传感器，治疗师可以在行走的身体内部测量数据或者建立信息端的接口，例如脑电图（EEG）信号或表面肌电图（EMG）信号［17-18］。这些测量数据基于神经网络信息为康复机器人提供操作的参数，最后实现与治疗相适应的力量训练和运动时机。EMG信号已经可以运用于腿部和足部操作系统的康复轨道［19］。这种方法提供了非功能性电刺激（FES）辅助步态，但是这种关于神经网络信息的处理面临着信号多变性、分类算法的稳定性和需量化的性能反馈指标的挑战。EMG和EEG分析的最新进展导致了这种控制方法在康复机器人中的广泛应用。但是这些挑战仍然需要解决，才能使这些方法成为康复的可行部分，特别是在外骨骼和矫形器的应用中。从机器人与人的附着性考虑，通过顺应人体形态和生物力学机制，机器人可以更好地传送数据和矫正关节活动［20］。另一个方面，我们可以利用软机器人技术。这种技术从刚性连接重新设计为使用电缆布线，可以实现尺寸和重量的减少［21］。与传统的刚性外骨骼设计相比，这些基于顺应性和舒适性的系统显示出相当大的优势，并显示出具有类似益处的能力。例如一种与穿戴者的瘫痪肢体功能同步的低辅助软外衣可以立即增加瘫痪踝关节的摆动相背屈，并增加瘫痪肢体的向前推进力。

4.任务驱动

大部分外骨骼装置会利用跑步机进行训练，以保持某些变量的一致性，例如平均步行速度。这种方法可以提高治疗室的跑步机利用率，使维护机器人的费用降低。然而，跑步机训练可以在不使用任何直接附件或机器人设备的情况下使用，而仅仅在身体上佩戴数个简易传感器，在跑步机周围放置动作捕捉摄像系统或其他数据收集系统进行本地实验和试验即可［22-23］。而使用分体式跑步机进行训练时，可以研究行走时的短期运动适应。在分体式跑步机的两侧设置为不同的速度或相反的方向，可以诱导患者的运动适应能力。同时治疗师经过患者同意后可以主动实时改变跑步机的速度，提高患者两腿的协调能力［24］。爬楼梯是最容易实施的治疗方式，其是一种经过测试的强化训练方法，以目标导向或任务导向疗法与视觉反馈相结合，避开障碍物来增强患者平衡协调能力。在爬楼梯的过程中，患者还可以提高肌力。脚板也同样以目标导向或任务导向，设定两种速度进行运动训练，同样可以提高患者的运动适应能力。

5.电刺激

电刺激可以取代下肢机器人系统来与受试者交互，所以FES被提出直接由外骨骼在肌肉上施与电刺激，可以诱导肌肉收缩甚至预防足下垂。FES有较大概率会改善仍对自身有较高控制水平的脑卒中患者的健康和力量。此外，当它与跑步机一起使用时，已经被证明产生了积极的结果。经颅磁刺激（TMS）通过大脑皮层附近的感应磁场使皮层神经膜去极化，并使神经元群放电，可以用于改善神经中枢位于皮层的反射［25］。TMS和其他经颅刺激在患者脑卒中后长期步态康复中的效果有限，但它们仍然可以提供新的可能性来研究脊髓反射机制和大脑皮质激活，这可能为步态康复提供有用的见解。

机器人设备所针对的感觉运动路径

脑卒中的康复极度依赖大脑通过神经重塑性恢复的突触结构［23］。当脑细胞因脑卒中造成的损害而再生、重新建立和重新安排神经冲动时，就会发生神经重塑性［26］。在运动康复方面，运用感觉运动机制的物理疗法会激发神经重塑性，刺激大脑纠正感觉和身体的缺陷，即寻找、唤起和利用神经重塑原理的神经机制［4，27］。

1.视觉

传统的视觉反馈方法通常是基于视频或3D游戏实现的。通过显示屏上的目标判定，患者积极调动实现目标的肌肉群来改善运动功能［28］。现在，VR被认为是一种更吸引人、更有效的刺激视觉运动通路和诱导神经重塑性的方法［29］。这是一种快速发展的实现虚拟环境的方式，最常见的方式是戴上VR眼镜，用虚拟环境覆盖对象的整个视觉空间。有了VR，只需要一个互动式手柄和眼镜就可以与任何物理环境互动，甚至可以在远程康复训练中实施。其中，展现脑卒中患者在虚拟环境中学习和运动的可能性［30］。VR通常是对已经使用的康复技术的补充，它提供了一个需要真实世界设置的环境，增加了材料设置的复杂性。如果需要与虚拟现实不同的真实世界环境，增强现实技术可以将动画对象放置到真实世界环境中。在用户看来，这具有更逼真的优点，并消除了VR环境引起的迷失方向问题。由于这项技术相对较新和成本较高，与其他物理实现和交互目标相结合的康复技术仍有待开发。

2.听觉

听觉等补充反馈可以补充或取代可穿戴系统的视觉，也用于社交辅助机器人。这些机器人可以使用语音提示来促进运动或提供鼓励和劝阻行为，当与机器人手势相结合时，语音是与现实世界互动的重要组成部分。听觉反馈的另一个应用是有节奏的听觉提示，这是一种使步态与节奏同步的方法，以改善步态测量。有适度的证据表明，脑卒中患者在使用有节奏的听觉提示进行步态训练后，速度与步长都有所改善。

3.本体感觉

脑卒中患者在训练中的平衡感是至关重要的［31］。平衡感是一种重要的行走机制，它使用视觉和听觉反馈以及本体感觉［32］。本体感觉是在步态阶段期间和步态之间的转换中，通过调节肌肉激活幅度，使身体部位相对于身体其他部位具有已知位置的感觉［33-35］。下肢机器人可通过提供本体感觉触觉反馈来减少平衡异常，建立个性化的姿势训练系统［36］。同样，视觉、听觉和本体感觉反馈的相互作用也可以通过VR系统进行运动训练。

结 语

本文基于康复工程学的发展，综述下肢机器人在康复流程中的应用［26］。下肢机器人是集智能反馈系统与减重步态训练于一体的装置［37］。在减重状态下，下肢机器人可为患者减轻一定身体负重，使患者能独立完成运动训练，增强肌力，促进肢体残余功能的发挥。同时机器人还可用预设的步态，增强关节的稳定性和协调能力，改善患者步态［38-40］。下肢机器人可联合跑步机实现更精细的治疗方案，例如采用分体式跑步机来增强患者运动适应能力［41］。在感觉通路，下肢机器人联合VR技术，增强患者的视觉反馈，刺激本体感觉，最终加速神经系统重组。但是下肢机器人也存在较多不足之处。当采用悬吊法时，机器人绑定患者的流程过于复杂，时间成本过高［42］。减重系统完全基于患者自身能力，没有统一标准化的规定，单纯依赖治疗师的主观判断去测试，数据过于离散。下肢机器人对比已经存有的跑步机成本较高，在普通小区难以普及，在社区实现康复的进展比较缓慢。同时在采用的数据中，大部分缺少对患者的长期随访观察［43］，在未来需要对数据进行更细致的采集和分析。