兒童腦癱康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展

史瑤，曹建國，贠國俊，王景剛

1 康復(fù)機(jī)器人概述

康復(fù)機(jī)器人從屬于醫(yī)療機(jī)器人，涵蓋了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多個領(lǐng)域，近些年成為研究熱點(diǎn)[1]。起初康復(fù)機(jī)器人在醫(yī)療實(shí)踐上是用于恢復(fù)患者肢體運(yùn)動功能[2]，最早應(yīng)用于治療是持續(xù)被動機(jī)(Continuous Passive Motion，CPM)，CPM機(jī)是一種利用康復(fù)醫(yī)學(xué)中連續(xù)被動運(yùn)動基本原理對受傷肢體進(jìn)行康復(fù)治療[3]，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展及研究的深入，神經(jīng)運(yùn)動康復(fù)治療機(jī)器人成為研究及應(yīng)用熱點(diǎn)，基于神經(jīng)系統(tǒng)可塑性，人們試圖研發(fā)機(jī)器人像臨床醫(yī)生一樣來輔助有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者改善其受損肢體功能，激發(fā)患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)重組和代償，進(jìn)而改善患者功能障礙，通過成人腦卒中、脊髓損傷等康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)，人們開始將注意力轉(zhuǎn)到研發(fā)腦癱兒童康復(fù)輔助機(jī)器人上，試圖通過機(jī)器人輔助訓(xùn)練，促進(jìn)腦癱兒童康復(fù)。

2 兒童腦癱康復(fù)治療概述

腦性癱瘓(cerebral palsy，CP)簡稱腦癱[4]，是指一組持續(xù)存在的中樞性運(yùn)動和姿勢發(fā)育障礙、活動受限癥候群，是由胎兒時期或嬰幼兒時期腦部非進(jìn)行性腦損傷所致。腦癱常伴有感覺、知覺、認(rèn)知、交流和行為障礙，以及癲癇和繼發(fā)性肌肉、骨骼問題。兒童腦癱康復(fù)治療主要有物理治療(physical therapy，PT)包括運(yùn)動療法和物理因子療法，作業(yè)治療(occupational，OT)，言語治療(speech therapy，ST)，藥物治療，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)康復(fù)療法，手術(shù)治療。運(yùn)動療法包括神經(jīng)發(fā)育療法[5]，神經(jīng)易化技術(shù)，強(qiáng)制性誘導(dǎo)療法，引導(dǎo)式教育等；物理因子療法包括功能性電刺激療法[6]，生物反饋、蠟療、水療等；作業(yè)治療是從患兒日常生活、學(xué)習(xí)、認(rèn)知等活動中選擇一些作業(yè)，對患兒進(jìn)行訓(xùn)練，改善患兒功能；言語治療主要包括構(gòu)音障礙訓(xùn)練，吞咽功能障礙訓(xùn)練和語言發(fā)育遲緩訓(xùn)練；目前藥物治療屬于腦癱的輔助治療，主要包括抗癲癇藥物、降低肌張力藥物、抑制不自主運(yùn)動藥物、神經(jīng)肌肉阻滯劑等，其中A型肉毒毒素(botulinum toxin A，BTX-A)應(yīng)用較為廣泛[7]；傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)康復(fù)包括針灸[8]、推拿等治療；手術(shù)治療作為腦癱康復(fù)治療的一種輔助療法，目的是矯正畸形和攣縮，改善肢體運(yùn)動功能，主要包括選擇性脊神經(jīng)后跟切斷術(shù)，矯形手術(shù)。近年來許多新技術(shù)應(yīng)用到兒童腦癱的康復(fù)治療中，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用來改善腦癱患兒社交功能[9]，腦機(jī)接口(brain-computer interface，BCI)技術(shù)利用腦電圖來監(jiān)測腦電活動[10]，讓患兒控制外接設(shè)備進(jìn)行交流、移動、康復(fù)訓(xùn)練等活動，重復(fù)經(jīng)顱磁刺激也廣泛應(yīng)用于改善腦癱患兒運(yùn)動及言語功能[11]，肌電反饋體感游戲是基于已研究成熟的肌電生物反饋技術(shù)，結(jié)合體感游戲，提高患兒參與康復(fù)訓(xùn)練的配合度[12]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于腦癱患兒康復(fù)治療中，從起初的運(yùn)動類康復(fù)機(jī)器人到現(xiàn)在的遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，多種類的康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于治療，將成為兒童腦癱康復(fù)治療的重要手段之一[13]。

3 康復(fù)機(jī)器人分類及應(yīng)用現(xiàn)狀

兒童腦癱康復(fù)治療機(jī)器人可從不同角度進(jìn)行分類，下面就目前康復(fù)機(jī)器人在腦癱患兒中的應(yīng)用進(jìn)行分類介紹。

3.1 運(yùn)動類康復(fù)機(jī)器人 腦癱是兒童殘疾的主要原因之一，主要影響患兒運(yùn)動功能，包括上肢運(yùn)動功能，下肢運(yùn)動功能，步態(tài)等方面，運(yùn)動類康復(fù)機(jī)器人是依據(jù)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)為基礎(chǔ)研發(fā)的一類康復(fù)機(jī)器人，通過主動及被動訓(xùn)練來改善患兒運(yùn)動功能。

3.1.1 上肢康復(fù)機(jī)器人 上肢康復(fù)機(jī)器人[14]是利用機(jī)器人力學(xué)設(shè)計帶動腦癱患兒，對其肩、肘、腕等關(guān)節(jié)進(jìn)行全方位運(yùn)動訓(xùn)練。Holley等[15]開發(fā)的上肢功能康復(fù)機(jī)器人治療系統(tǒng)，研究選取年齡在7～14歲之間腦癱患兒，通過機(jī)器人手臂和手腕組成機(jī)械臂對患兒上肢提供主動訓(xùn)練，研究表明其可改善患兒上肢運(yùn)動功能及其協(xié)調(diào)能力，但其適用年齡范圍具有局限性。Yagna Pathak等[16]以日常生活活動能力所需的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)，對6～15歲的腦癱患兒及正常兒童上肢運(yùn)動范圍進(jìn)行對比，開發(fā)出一種康復(fù)治療機(jī)器人，為腦癱患兒在日常生活活動中提供幫助，同時能改善腦癱患兒上肢運(yùn)動功能。Edward等[17]研發(fā)的便攜式上肢康復(fù)機(jī)器人，可產(chǎn)生足夠的末端效應(yīng)力進(jìn)行功能性抗阻訓(xùn)練，來幫助上肢肌肉力量不足的腦癱患兒恢復(fù)上肢功能。丁偉利等[18]研發(fā)的基于Kinect為交互設(shè)備的上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，針對患者不同的康復(fù)需求，系統(tǒng)建立了通用動作庫和游戲庫，來達(dá)到主動鍛煉患者上肢功能的目的。

3.1.2 下肢康復(fù)機(jī)器人 下肢康復(fù)機(jī)器人可分為站立式和坐臥式兩種，作用是輔助支撐患兒身體，幫助患兒形成自然步態(tài)，同時進(jìn)行功能訓(xùn)練，其還包含了踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人這一類機(jī)器人，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，混合動力的三自由度踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人逐步應(yīng)用到康復(fù)治療中，為腦癱患兒踝關(guān)節(jié)康復(fù)提供了一種新的訓(xùn)練方法[19]。

金星等[20]應(yīng)用德國Lo-Kohelp集團(tuán)研制的下肢康復(fù)機(jī)器人Lo-koHelp系統(tǒng)，通過對患兒評估情況來調(diào)節(jié)其步行速度和坡度，配合其完成步行動作，研究入組4～6歲的腦癱患兒，坐位平衡≥1級，給予每天20min，1周6次，訓(xùn)練8周的訓(xùn)練強(qiáng)度，研究表明其對患兒下肢運(yùn)動功能有改善作用。杜佳音等[21]自制的腦癱兒童下肢康復(fù)器是一種包含主動模式和被動模式訓(xùn)練下肢肌力的康復(fù)機(jī)器人，可輔助痙攣型腦癱患兒進(jìn)行下肢肌力訓(xùn)練，也可進(jìn)行助力訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練，研究選取28例年齡在5～12歲，腦癱粗大運(yùn)動功能分級(Gross Motor Function Classification System，GMFCS)為I～I(xiàn)II級，排除孤獨(dú)癥或合并癲癇的腦癱患兒，行每天20 min，3個月為1個療程的訓(xùn)練強(qiáng)度，研究表明其在改善腦癱患兒粗大運(yùn)動功能方面有良好效果。盧振利等[22]設(shè)計了以Kinect為基礎(chǔ)的人機(jī)交互設(shè)備的腦癱康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于設(shè)計了運(yùn)動捕捉、運(yùn)動數(shù)據(jù)記錄、分析和評價功能，可了解患者目前及訓(xùn)練后的功能狀態(tài)，為醫(yī)生和治療師提供有意義的數(shù)據(jù)，但該系統(tǒng)是針對年齡偏大(5歲以上)的腦癱兒童設(shè)計，具有年齡適用的局限性。周志浩等[23]研發(fā)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)(robotic ankle-foot rehabilitation system，RARS-II)，研究選取平均年齡為7歲的腦癱患兒6例，行每組訓(xùn)練10個周期，每個周期10s的訓(xùn)練強(qiáng)度，研究表明該系統(tǒng)可改善腦癱患兒跖屈肌群攣縮及軟組織順應(yīng)性，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用了可編程的嵌入式系統(tǒng)，使控制指令和實(shí)時數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)軟件進(jìn)行通訊，此設(shè)計可使治療師和受試者實(shí)時看到運(yùn)動關(guān)節(jié)位置，力矩參數(shù)、訓(xùn)練任務(wù)參數(shù)，以便調(diào)整訓(xùn)練模式。

3.1.3 步態(tài)康復(fù)機(jī)器人 腦癱最常見的癥狀是肌肉痙攣，肌肉痙攣可導(dǎo)致關(guān)節(jié)攣縮，四肢控制不良，造成患兒許多日常生活活動完成困難，其中最主要的是步行[24]，無效的步態(tài)模式會導(dǎo)致患兒走路緩慢，易疲勞，并限制他們?nèi)粘Ｉ罨顒幽芰Γ芯勘砻鱗25]，步態(tài)康復(fù)機(jī)器人作為一種有效的步態(tài)康復(fù)裝置，為腦癱患兒步態(tài)訓(xùn)練提供了一種新方法。

Meltem等[26]設(shè)計了一種機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練裝置，該裝置旨在改善腦癱患兒步態(tài)模式，是基于軌跡、力和阻抗控制范式開發(fā)的，末端控制器用來測量人體與機(jī)器人的交互作用數(shù)據(jù)，研究選取24例痙攣型偏癱，GMFCS分級為II級的患兒，予以每周3次，共12周的訓(xùn)練強(qiáng)度，研究表明其對患兒步行速度、耐力及平衡穩(wěn)定性有明顯改善[27]。Mataki等[28]使用混合性輔助肢體機(jī)器人(Hybrid Assisstive Limb，HAL)對腦癱患兒進(jìn)行輔助步態(tài)訓(xùn)練，研究選取12例平均年齡為16歲的腦癱患兒，行每次20min訓(xùn)練，研究表明，訓(xùn)練后患兒步態(tài)中單腿支撐相時間增加、伸髖角度增大、屈膝角度減小，改善了患兒的步態(tài)功能。Cristina Bayón等[29]研發(fā)的CPWalker(Cerebral Palsy Walker，CPWalker)，是一種步態(tài)康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練平臺，該系統(tǒng)由外骨骼牽引器和智能步態(tài)控制終端兩部分組成，外骨骼牽引器對患者提供支撐，智能步態(tài)控制終端可提供五種步態(tài)模式，通過設(shè)定體重，步態(tài)速度，運(yùn)動范圍三種參數(shù)制定個體化訓(xùn)練方案，其還包括姿勢控制策略，在患者進(jìn)行不良步態(tài)姿勢時進(jìn)行聲音反饋。

3.2 語言類康復(fù)機(jī)器人 腦癱并發(fā)語言障礙的患兒需通過語言康復(fù)及多種訓(xùn)練方式來改善患兒的語言功能障礙，語言類康復(fù)機(jī)器人試圖通過數(shù)字化康復(fù)機(jī)器人設(shè)備，對患兒語音進(jìn)行分析并針對個體進(jìn)行個體化康復(fù)治療，可提供多種康復(fù)訓(xùn)練模式，有助于進(jìn)一步提高康復(fù)療效。

盧振利等[30]研發(fā)的機(jī)器人輔助腦癱康復(fù)語義訓(xùn)練系統(tǒng)由語音識別模塊，主機(jī)程序組成，基于語音識別技術(shù)，通過收集患兒語音后進(jìn)行語音的改正和校正，包括單字識別與訓(xùn)練，語句識別與訓(xùn)練，以改善患兒構(gòu)音和發(fā)音功能，研究選取2例腦癱患兒，進(jìn)行8次訓(xùn)練，研究表明該系統(tǒng)對患兒語言康復(fù)具有一定作用，但在使用過程中因個體差異，出現(xiàn)語音識別正確率有差異的問題，還需進(jìn)一步調(diào)試完善。沈玄霖等[31]研發(fā)的腦癱康復(fù)機(jī)器人語音識別系統(tǒng)，讓患兒對圖片進(jìn)行命名，將采集的聲音信號通過語音識別技術(shù)錄入、識別、對比，從而判斷其正確率和反應(yīng)時，研究選取了平均年齡為8歲(5～13歲)的腦癱患兒16例，進(jìn)行該系統(tǒng)訓(xùn)練，研究發(fā)現(xiàn)，隨著識圖次數(shù)增加，患兒用時逐漸減少，正確率提高，表明該系統(tǒng)對腦癱患兒治療具有有效性。

3.3 社會輔助類康復(fù)機(jī)器人 社會輔助機(jī)器人(socially assistive robotics SAR)作為社交互動機(jī)器人(social interaction，SIR)和輔助機(jī)器人(assistive robot，AR)的交匯點(diǎn)[32]，旨在通過社會輔助機(jī)器人與患者互動中產(chǎn)生參與激勵作用，促進(jìn)患者康復(fù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。研究表明有患兒主動意圖參與的康復(fù)訓(xùn)練[33]，對患兒神經(jīng)系統(tǒng)的重建和功能恢復(fù)更有效。

Kozyavkin等[34]使用一種類似人型的機(jī)器人，設(shè)計了9種機(jī)器人行為與聲音和音樂相結(jié)合的運(yùn)動場景，通過遙控操作激活其中一個場景，對6例4～9歲的腦癱患兒在此場景下進(jìn)行7次訓(xùn)練，研究表明，其對患兒的運(yùn)動治療有激勵作用。Rabiatul等[35]驗(yàn)證了一種社會輔助機(jī)器人用于腦癱患兒的康復(fù)治療，選取2例腦癱患兒，行每周互動1次，為期8周的訓(xùn)練，研究表明人機(jī)交互增強(qiáng)了患兒參與治療的注意力，有促進(jìn)其運(yùn)動功能改善的作用。Alberto等[36]使用NAO機(jī)器人作社會輔助機(jī)器人，參與到腦癱兒童的物理治療中，輔助一例8歲，GMFCS分級為III級的腦癱兒童訓(xùn)練，通過與社會輔助機(jī)器人互動產(chǎn)生動機(jī)，促進(jìn)患兒參與訓(xùn)練的持久性及目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，研究表明社會輔助機(jī)器人可提高腦癱兒童參與治療的積極性，但該研究屬于初步研究，還需擴(kuò)大樣本量，進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.4 新技術(shù)類康復(fù)機(jī)器人 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，越來越多的新技術(shù)融合到機(jī)器人的開發(fā)研究中來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及遠(yuǎn)程技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用，是康復(fù)機(jī)器人今后的發(fā)展趨勢，這一類機(jī)器人的研發(fā)使康復(fù)訓(xùn)練更加精準(zhǔn)化，多樣化，個體化。

3.4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合機(jī)器人系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性，沉浸性，想象性等特點(diǎn)，機(jī)器人輔助中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個重要目標(biāo)是：①生物反饋給病人；②通過增加視聽功能增強(qiáng)場景真實(shí)性；③增加病人動機(jī)。不同的虛擬場景可以描述各種虛擬任務(wù)，打破時間、空間限制，靈活性好，而且對患者所執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量給予及時反饋。虛擬增強(qiáng)了真實(shí)的環(huán)境，可促進(jìn)患者積極參與所期望的活動，也在認(rèn)知功能、肢體運(yùn)動功能、平衡協(xié)調(diào)功能、日常生活能力等各方面發(fā)揮作用。另外，因患者可以在更現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中訓(xùn)練，使患者感到更有趣，從而激勵其訓(xùn)練更長時間，或更多頻率，提高其訓(xùn)練依從性[37]。

Qinyin等[38]對NJIT-RAVR系統(tǒng)應(yīng)用于腦癱兒童進(jìn)行了可行性研究，該系統(tǒng)將自適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)與復(fù)雜的VR仿真技術(shù)相結(jié)合，使患者與豐富的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，研究選取2名痙攣型偏癱患兒，年齡分別為10歲、7歲，予以每周3d，每次1h，共3周的訓(xùn)練，研究表明該系統(tǒng)可成功應(yīng)用于腦癱患兒，同時發(fā)現(xiàn)該虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合機(jī)器人系統(tǒng)可增加患兒訓(xùn)練時的注意力，從而提供的更大的訓(xùn)練刺激，康復(fù)療效明顯提高。

3.4.2 遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人 遠(yuǎn)程康復(fù)是應(yīng)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和測試技術(shù)，提供臨床醫(yī)生與病人之間視聽交互作用，患者可在家使用康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練，由相應(yīng)的傳感器等設(shè)備將患者的訓(xùn)練數(shù)據(jù)上傳到康復(fù)中心，臨床醫(yī)生和治療師可對患者個人的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行評估及設(shè)置更新訓(xùn)練參數(shù)，患者將更新的訓(xùn)練計劃下載到家庭康復(fù)機(jī)器人繼續(xù)進(jìn)一步訓(xùn)練，研究表明家庭遠(yuǎn)程輔助康復(fù)機(jī)器人是治療兒童腦癱方便有效的方法[39]。

陳凱等[40]研發(fā)了一種通過醫(yī)生與患者進(jìn)行遠(yuǎn)程互動，定期評估和更新康復(fù)訓(xùn)練的便攜式遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人，研究選取23例平均年齡9歲，GMFCS分級為I～I(xiàn)II級的腦癱患兒，在家庭環(huán)境下，對其踝關(guān)節(jié)進(jìn)行了6周的輔助訓(xùn)練，采用生物力學(xué)和臨床評估評價治療效果，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人干預(yù)后，患兒踝關(guān)節(jié)被動和主動運(yùn)動范圍明顯增加，下肢平衡和控制能力增強(qiáng)。

4 發(fā)展趨勢

綜上所述，兒童腦癱的康復(fù)治療具有挑戰(zhàn)性，包括人員配備有限和住院時間有限，需要提供高效率的替代治療方法。康復(fù)機(jī)器人可使康復(fù)訓(xùn)練具有一致性和持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)治療方案、治療強(qiáng)度和康復(fù)評估的參數(shù)化。但我國現(xiàn)在實(shí)施的康復(fù)機(jī)器人項(xiàng)目都是常規(guī)的機(jī)器人輔助治療方法，另外現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人適用的年齡范圍有局限性，大多不適用于低年齡段患兒，因此需要康復(fù)機(jī)器人擁有更多訓(xùn)練模式和靈活的參數(shù)調(diào)節(jié)方式及可操作性。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人工智能技術(shù)研發(fā)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)已成為未來的發(fā)展方向，虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計算機(jī)硬件和軟件創(chuàng)建的交互模擬[41]，為用戶提供場景，使其能夠參與到虛擬世界，形成交互，在與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相互的反饋中達(dá)到身臨其境的效果；虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)不僅能夠增加患者訓(xùn)練的依從性和參與性，而且還有利于開發(fā)更多對患者量身定做的訓(xùn)練[42]，以適應(yīng)患者需求。人工智能技術(shù)可使機(jī)器人具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)儲存及即時分析反饋?zhàn)饔茫狗答佇畔ⅲ袠袛?shù)據(jù)處理，輸出調(diào)整信息成為閉環(huán)控制系統(tǒng)，智能化設(shè)定個體化的精準(zhǔn)康復(fù)治療模式，設(shè)計情景化人機(jī)交互模式，簡化醫(yī)生操作流程，為精準(zhǔn)康復(fù)提供一種模式。

隨著各種先進(jìn)的機(jī)器人控制技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、遠(yuǎn)程技術(shù)、人工智能技術(shù)等引入到康復(fù)領(lǐng)域[43], 遠(yuǎn)程康復(fù)治療機(jī)器人成為可能，遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人使患者能夠在家進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[44]，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問，使患者能夠及時得到醫(yī)生的指導(dǎo)信息和訓(xùn)練方案，使康復(fù)治療實(shí)現(xiàn)個體化、精確化、智能化，這也是今后康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展方向和目標(biāo)。