下肢康復機器人對腦癱患兒步行能力改善的研究進展

郭海濱，周璇，杜青

腦性癱瘓(cerebral palsy，CP)簡稱CP，由先天性發育缺陷或獲得性疾病等非進行性腦損傷所致，患病率約為每1000活產兒中有2.0～3.5個[1]。CP主要表現為身體活動受限，永久性運動和姿勢障礙[2]，約25%的CP患兒不能行走。因此，改善CP患兒行走能力來提高其生活自理能力十分重要。傳統的下肢康復包括由治療師指導進行的減重步態訓練、平衡訓練等，以及使用矯形器治療[3]。CP持續終身，需要長期進行規范化康復，意味著大量人力物力的消耗。我國康復技術人員僅4萬余人，80%從事成人康復，而我國CP患兒高達200萬[4]，僅靠當前人力難以滿足需求。而康復機器人彌補了這一問題，具有很大的發展潛力。下肢康復機器人是根據機器人學、仿生學、控制理論以及信息處理技術等原理，設計出的可穿戴在人體下肢并可在使用者操縱下完成特定動作的智能化、機械化的仿生機器人[5]。在CP康復領域，機器人可與特定任務結合，進行主、被動訓練，幫助CP患兒改善特定的關節肌肉功能。下肢康復機器人的療效已被多項研究證明，機器人輔助步態訓練可改善CP患兒的步行速度，耐力和粗大運動能[6]。與人力康復相比，機器人康復具有一些優勢，包括安全性、參與性、可重復性、步態一致性以及節約人力[7]。但價格高昂在一定程度上限制了其在臨床上的應用。本文重點綜述下肢康復機器人在CP患兒中的應用進展、療效及其存在的問題。

1 下肢康復機器人概述

1.1 發展歷史 20世紀80年代是康復機器人研究的起步階段，美國、英國、加拿大在康復機器人方面的研究處于世界領先地位。隨著材料、控制系統、傳感等機器人技術飛速發展，智能化、機械化、自動化程度的提高，1990年以后康復機器人的研究進入到全面發展時期。德國的步態訓練機器人(Gait trainer I)可改善患兒的站姿。1999年Lokomat推出一種典型的減重式外骨骼機器人更是將下肢康復機器人的發展推向新的臺階，驅動自主帶動人體下肢在跑步機上進行減重步態康復訓練，提供合適的負重，可改善患兒步態，至今仍是應用最廣泛的下肢康復機器人[8]。目前，以上兩種機器人已有兒童型，用于CP患兒的步態訓練。

1.2 應用方向 下肢康復機器人主要針對三種應用方向而開發。第一，主要應用于步態康復，即幫助運動障礙患兒進行骨骼肌肉力量、運動控制和步態康復訓練。第二，主要應用于人體運動輔助，針對癱瘓而失去下肢運動能力的患兒，幫助其恢復站立、坐下、走路等日常活動能力。第三，主要應用于增加健全人群的身體力量，主要用于軍事、救災等[9]。

1.3 功能分類 下肢康復機器人根據功能通常分為兩類：① “末端執行器型”，如Gait Trainer(德國)和LokoHelp(美國)，末端執行器型機器人作用在足部，通過足部關節的運動帶動患者的全身肌肉恢復運動。② “外骨骼型”，如ReWalk(德國)和Lokomat(瑞士)，外骨骼型機器人是作用在雙腿，幫助沒有站立能力的CP患兒實現坐、站、行走、上下樓梯等基本身體活動[10]。

1.4 國際常見機型及應用分類 目前國際上有多種類型下肢康復機器人已投入臨床，逐漸取代傳統康復訓練器械。按應用方向，可將國際上常見的下肢康復機器人分為3類。①應用于步態康復：如日本Cyberdyne公司研發的HAL機器人，可通過動力單元及各類傳感器等，作用于髖、膝、踝關節，可根據患兒重心變換進行實時輔助。HAL的獨特優勢是具有生物意識控制系統和自主控制系統[10-11]。HAL配合理療，可使CP患兒步態得到明顯改善[12]。與Lokomat不同，HAL是可穿戴的機器人，因此可以在跑步機以外的場地上進行步態訓練。此外，HAL可以進行除步行以外的訓練，例如站立，爬樓梯和下肢肌力鍛煉。②應用于運動輔助：如新西蘭Rex Bionic公司研發的Rex機器人，主要針對下肢松弛和癱瘓的患兒，在髖、膝關節處助力，能將患兒從坐姿提升到機器人支撐的站立姿勢，配合使用拐杖，使其能夠參加由治療師設計的步行和伸展運動，以幫助實現康復目標[13]。同樣還有以色列ReWalk Robotics公司研發的ReWalk機器人[21]以及美國Parker Hannifin公司所研發的Indego機器人[18]，可通過傳感技術來判斷下肢運動狀態，配合拐杖提供有力的髖部和膝關節支持，使患兒能夠站立，行走，轉身以及上下樓梯。③同時應用于步態康復和運動輔助：如美國Ekso Bionics 公司研發的Ekso GT，集以上兩類機器人的功能，在髖、膝關節處助力同時配合使用拐杖，幫助患兒減輕體重、控制平衡，借由傳感器與軟件監測，不斷調節腿部運動，最大程度減少代償性步態[19]。因此，具有不同步行能力的CP患兒可以選擇不同的下肢康復機器人進行輔助治療。可獨立行走但步態不佳的患兒，可以選擇HAL、Lokomat等機器人進行系統的步態康復訓練，糾正其不良姿態；而無法獨立行走的患兒則可以借助ReWalk、Rex等機器人輔助步行，重獲行走能力，來提高日常生活活動能力。

2 下肢機器人促進腦癱患兒步行能力恢復的機制

機器人神經康復技術的應用在一定程度上是基于神經可塑性理論，即通過行為訓練恢復神經網絡[22-23]。訓練中，CP患兒以符合生物力學的正確方式反復練習步行運動，來誘導運動皮層表現的改善，恢復并增強肌肉群的能力，改善CP患兒協調性。康復機器人在減重狀態下輔助CP患兒模擬正常步行周期，強化了外周深淺感覺的刺激[4]，同時康復治療師設計個性化運動康復方案以適應不同CP患兒的特殊需求和能力，并且通過下肢康復機器人測量和量化運動的可能性，跟蹤CP患兒的進展，從而改善預后[24]，改善的程度取決于練習量、重復次數以及特定任務[7]。部分康復機器人自帶驅動，如ReWalk可以提供強有力的支撐作用，配合拐杖可以實現坐、站立、行走等。將機器人技術添加到康復干預措施中，最重要的優勢之一是其能夠提供高強度和高劑量的培訓，同時也能減輕康復治療師的勞動負擔[23]。

3 下肢康復機器人在腦癱患兒步行能力康復中的作用

近年來，下肢康復機器人對CP患兒步行能力的改善作用被越來越多的臨床試驗所證實。在康復治療過程中，應用下肢康復機器人進行科學合理的訓練，可以有效幫助CP患兒改善下肢關節活動，改善各種不良步態。

3.1 改善下肢關節活動 痙攣型是CP中最常見的類型。CP患兒由于長期的肌肉痙攣及肌力不平衡，往往繼發不同程度的固定性畸形, 甚至骨性畸形[24]。下肢康復機器人可以在踝、膝關節處穩定關節活動，被動牽伸痙攣肌肉，減輕異常肌張力，同時提供助力，改善CP患兒下肢運動。 Lee等[25]招募了8名雙下肢痙攣的CP患兒(足趾朝內步態)，使用踝/膝關節智能機器人伸展和新型離軸橢圓機訓練器，執行特定對象的伸展和樞軸離軸神經肌肉控制訓練程序(subject-specific stretching and pivoting off-axis neuromuscular control training，SS-POINT)進行了為期6周的神經肌肉控制訓練，結果顯示訓練后步態功能的改善和足趾朝內角度的減小，還伴隨著膝關節僵硬度的降低以及肌張力、關節活動度、Berg平衡量表得分、本體感覺敏銳度和下肢神經肌肉控制的改善。Lerner 等[26]基于標準的踝足矯形器(ankle foot orthosis，AFO)設計出新的外骨骼機器人，具有可調節的踝關節與膝關節，試驗招募了7名粗大運動功能分級系統(gross motor function classification system，GMFCS)I-II級患兒，結果顯示該下肢機器人可改善膝關節的伸展同時又不減少骨骼肌活動，并改善了蹲伏步態。Lerner等[27]在另一項試驗中設計了動力型足踝輔助裝置，用以增加踝關節的推進力，改善下肢姿勢并減少足底屈肌、腓腸肌的異常活動。Wallard 等[28]招募了30名GMFCS II級的8～10歲的CP患兒，試驗組16名使用Lokomat兒童版(最早適用于4歲)進行4周訓練，對照組僅進行治療師指導進行的物理治療或作業治療，結果顯示試驗組與對照組相比，紅外線掃描下肢關節運動學數據，步行速度、步長以及步態對稱性顯著改善，粗大運動功能測試(gross motor function measure，GMFM)D維度(站立)和E維度(步行/跑步/爬行)同樣得到改善，動態姿勢平衡得到控制。

3.2 改善步態 CP患兒存在馬蹄內翻足步態、偏癱步態、蹲伏步態等異常步態[29-30]。下肢康復機器人可以提供程序量化訓練，通過各種傳感器進行反饋，實時糾正步態偏差。Wu 等[31]招募了23名GMFCS I-IV級的4～16歲CP患兒，試驗組11人使用三維電纜驅動機器人步態訓練系統(three-dimensional cable-driven robotic gait training system，3DCaLT)進行為期6周的訓練，結果顯示試驗組步行速度和6分鐘步行距離有顯著增加。Yazici等[32]選取了24名GMFCS I-II級的5～12歲CP患兒，試驗組12人使用Innowalk Pro進行機器人步態訓練(robot assisted gait training，RAGT)3個月，干預后顯示痙攣側與非痙攣側肌肉氧合有所增加，Berg平衡量表得分、10米步行速度、6分鐘步行距離、GMFM-88得分、GMFM-D、E表現顯著改善。Wallard等[33]在另一個試驗中招募了30名GMFCS II級的8～10歲CP患兒，試驗組接受Lokomat治療4周，并且使用紅外照相機記錄三維的全身運動數據用于進行步態分析，結果顯示上半身如頭部穩定性、上臂擺動、軀干控制顯著改善，有利于控制身體平衡。Lefmann 等[34]報道了466名GMFCS多數為I～IV級的5～17歲CP患兒，穿戴Lokomat或Gait Trainer GT I下肢康復機器人，結果顯示RAGT有益于改善步態，包括速度、站立能力和步行距離。Van等[35]提供的一些數據表明，病情較重的CP患兒可能比病情較輕的患兒受益更多，尤其是在步行相關結局指標方面。

4 腦癱下肢康復機器人存在的問題和發展趨勢

高速發展的科學技術為康復治療提供了創新的手段，將康復事業的發展推到了智能化、機械化的全新高度。目前下肢康復機器人技術已經較為成熟，針對CP患兒的機器人種類繁多，但也存在以下問題：①設備笨重[11-19](約14kg及以上)，不便于患兒穿戴；②驅動的體積、效率、耐用性均欠佳[9]；③人機接觸面易出現摩擦傷、過敏紅斑等[36]；④受限于電池電量[11-19](約1～2h)，步行時間短；⑤價格昂貴；⑥使用環境受限[36]。此外，目前尚無系統指標和具體治療方案來評估和指導患兒使用下肢康復機器人[37-38]。國內專家在積極研發各種新型下肢康復機器人，期待該領域有望產生更多突破性進展，生產出更加輕便、性價比高、智能的下肢康復機器人，為CP患兒提供更好的服務。同時也期待康復醫療工作者早日制定科學有效的、統一的下肢康復機器人評價標準和治療方案。

5 小結

下肢康復機器人越來越廣泛應用于CP患兒的康復治療中。大量臨床證據顯示，對于CP患兒而言，下肢康復機器人能夠科學有效且安全的改善其步行能力，繼而提高生活質量，促其更好地融入社會。可以預測，隨著下肢康復機器人功能完善、性能和可靠性的提高，在不久的未來，下肢康復機器人將會被更廣泛地應用于CP等兒童疾病的康復治療。