機(jī)器人在腦卒中后運(yùn)動障礙病人早期康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)用的研究進(jìn)展

周霜 張桂娟

Research progress on the application of robots in early rehabilitation training of patients with movement disorders after stroke

ZHOU Shuang， ZHANG Guijuan

School of Nursing， Jinan University， Guangdong 510632 China

Corresponding Author ?ZHANG Guijuan， E?mail： 2651674744@qq.com

Keywords??cerebral stroke；?robot；?movement disorders；?rehabilitation；?review

摘要??對腦卒中后運(yùn)動障礙概述、機(jī)器人分類、機(jī)器人輔助早期康復(fù)訓(xùn)練在腦卒中后運(yùn)動障礙病人中的應(yīng)用以及機(jī)器人在腦卒中后運(yùn)動障礙病人早期康復(fù)訓(xùn)練中的不足與改進(jìn)方向進(jìn)行綜述，以期為更好地改善病人運(yùn)動功能、提高病人康復(fù)效果和生活質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞??腦卒中；機(jī)器人；運(yùn)動功能障礙；康復(fù)；綜述

doi：10.12102/j.issn.1009-6493.2024.08.021

腦卒中是一種急性腦血管疾病，是我國導(dǎo)致成人死亡和長期殘疾的首要原因^[1]。盡管大部分腦卒中病人受損腦神經(jīng)得到不同程度的修復(fù)，仍有67%的腦卒中病人遺留不同程度的運(yùn)動功能障礙，嚴(yán)重影響病人的日常生活能力，給家庭造成沉重負(fù)擔(dān)^[2?3]。因此，幫助腦卒中病人盡早恢復(fù)肢體運(yùn)動功能非常重要，腦卒中早期康復(fù)是目前降低致殘率的有效手段^[4]。傳統(tǒng)早期康復(fù)訓(xùn)練可在一定程度上恢復(fù)病人的運(yùn)動功能，但存在治療周期長、訓(xùn)練內(nèi)容枯燥、互動性差、病人常出現(xiàn)消極情緒，從而影響康復(fù)效果^[5?6]。但隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人有非常廣泛的應(yīng)用前景，有研究表明，機(jī)器人輔助訓(xùn)練不僅可以促進(jìn)病人運(yùn)動功能的改善，還可以針對不同康復(fù)時期的病人提供個體化、差異化的高質(zhì)量訓(xùn)練，定量評估和調(diào)整病人運(yùn)動的各項(xiàng)參數(shù)，同時也增添趣味性，提高病人積極性，進(jìn)而提高康復(fù)效果^[7?8]。

1 ?概述

運(yùn)動功能障礙是腦卒中最常見的并發(fā)癥，通常表現(xiàn)為不自主運(yùn)動、肌張力障礙、協(xié)調(diào)運(yùn)動異常。研究表明，1%～4%的腦卒中后病人出現(xiàn)不自主運(yùn)動，20%的腦卒中后病人會出現(xiàn)肌張力障礙^[9]。46%腦卒中后病人運(yùn)動障礙一般出現(xiàn)在腦卒中后7 d內(nèi)，缺血性腦卒中后病人在不到1個月時間會出現(xiàn)運(yùn)動障礙，出血性腦卒中后病人在6個月后會出現(xiàn)運(yùn)動障礙^[10]。目前，隨著我國快速康復(fù)理念的興起，對腦卒中后運(yùn)動障礙病人的康復(fù)主要強(qiáng)調(diào)早期干預(yù)。傳統(tǒng)的康復(fù)療法包括按摩、針灸、物理療法和電刺激，已廣泛用于臨床實(shí)踐，但超過50%的腦卒中后病人在接受常規(guī)康復(fù)治療后仍會出現(xiàn)不同程度的運(yùn)動功能障礙，無法滿足病人的實(shí)際需求，需要在常規(guī)康復(fù)治療的基礎(chǔ)上，開發(fā)全新的智能康復(fù)平臺，幫助病人進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的康復(fù)訓(xùn)練^[11?12]。

2 ?康復(fù)機(jī)器人分類

2.1 根據(jù)控制性質(zhì)分類

2.1.1 基于末端執(zhí)行器機(jī)器人

基于末端執(zhí)行器系統(tǒng)是連接到四肢遠(yuǎn)端部分的機(jī)器人系統(tǒng)，通常由手柄、前臂支架或踏板實(shí)現(xiàn)，通過對腦卒中病人的受損肢體運(yùn)動遠(yuǎn)端進(jìn)行支撐或模擬步態(tài)訓(xùn)練，根據(jù)設(shè)定的運(yùn)動軌跡輔助失去功能的肢體進(jìn)行主動或被動訓(xùn)練^[13]。上肢康復(fù)機(jī)器人中具有代表性的是1991年美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的MIT?MANUS機(jī)器人，采用五聯(lián)桿平行驅(qū)動選擇性順應(yīng)裝配機(jī)器人手臂（SCARA），對病人的肩、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練^[14]。下肢康復(fù)機(jī)器人中，如德國LokoHelp下肢步行姿勢訓(xùn)練系統(tǒng)^[15]，在足部用綁帶將運(yùn)動踏板綁定，在運(yùn)動踏板的帶動下模擬正常步態(tài)訓(xùn)練。

2.1.2 基于外骨骼機(jī)器人

此類機(jī)器人基于人機(jī)工程學(xué)和仿生原理，根據(jù)人體上下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)穿戴在功能障礙的肢體上，帶動患肢進(jìn)行主動和被動訓(xùn)練^[16]。上肢康復(fù)機(jī)器人中，如瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)的ARMin上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人^[17]，由最初的4個主動自由度轉(zhuǎn)變?yōu)楹竺娴?個自由度，除了對肩、肘、腕關(guān)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練，還增加了針對手部訓(xùn)練的模式。下肢康復(fù)機(jī)器人中最典型的是1999年瑞士Hocoma公司研制的Lokomat步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，由跑步機(jī)、體重支撐系統(tǒng)和2條機(jī)械腿組成，協(xié)助髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面上進(jìn)行運(yùn)動^[18]。

2.2 根據(jù)技術(shù)原理不同分類

2.2.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的康復(fù)機(jī)器人

虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)創(chuàng)建和體驗(yàn)的計(jì)算機(jī)數(shù)字?jǐn)M真環(huán)境，可以根據(jù)用戶的理念提供更多沉浸式的互動和個性化的場景，為病人提供視、聽、觸覺的感官刺激，進(jìn)一步反饋給大腦，從而使病人有不同的訓(xùn)練體驗(yàn)，依賴于人體感官反饋^[19]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為腦卒中病人提供個性化治療，具有高度重復(fù)的任務(wù)特定動作、特定反饋，彌補(bǔ)傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練反饋不足和任務(wù)導(dǎo)向不足的缺點(diǎn)^[20]。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，病人可以運(yùn)用特定的機(jī)器人康復(fù)設(shè)備在模擬的環(huán)境中進(jìn)行患肢主動或被動訓(xùn)練，從而更精準(zhǔn)地訓(xùn)練患肢。Jonna等^[21]結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)研發(fā)了6?DOF康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)虛擬游戲，增加訓(xùn)練的趣味性，協(xié)助患肢進(jìn)行肩肘關(guān)節(jié)的復(fù)合運(yùn)動。下肢康復(fù)機(jī)器人中，如清華大學(xué)設(shè)計(jì)的將虛擬現(xiàn)實(shí)與健身車結(jié)合組成的下肢康復(fù)訓(xùn)練，包括主動、被動、輔助、抵抗4種運(yùn)動形式，通過騎行的方式對運(yùn)動障礙的下肢進(jìn)行訓(xùn)練^[22]。

2.2.2 基于腦機(jī)接口的康復(fù)機(jī)器人

腦機(jī)接口使用神經(jīng)電信號的調(diào)制控制外部設(shè)備，通過分析大腦活動的變化，可以將用戶的意圖轉(zhuǎn)化為通常提供某種形式的感官反饋的數(shù)字設(shè)備或工具的控制命令，依賴于人體生物電的物理結(jié)構(gòu)^[23]。2014年，加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)將可穿戴的便攜式機(jī)械臂系統(tǒng)集合無線腦機(jī)接口技術(shù)和功能性電刺激，幫助病人獨(dú)立完成飲用一杯水^[24]。韓國高麗大學(xué)和德國柏林工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)了在下肢外骨骼使用的腦機(jī)接口，通過5個特定閃爍頻率的LED對大腦進(jìn)行視覺刺激，產(chǎn)生信號，將刺激誘發(fā)電位獲得相應(yīng)編碼技術(shù)，從而獲得5個特定刺激下所執(zhí)行的相應(yīng)命令^[25]。

3 ?機(jī)器人輔助早期康復(fù)訓(xùn)練在腦卒中后運(yùn)動障礙病人中的應(yīng)用

3.1 肩部功能訓(xùn)練

腦卒中后上肢功能障礙導(dǎo)致的癱瘓肢體肌無力可使肩關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，易造成半脫位和肩部疼痛，降低病人生活質(zhì)量。腦卒中后肩痛是上肢運(yùn)動障礙中常見并發(fā)癥之一，常發(fā)生于腦卒中后2～3個月，導(dǎo)致上肢活動、保持軀干平衡和進(jìn)行日常生活活動困難，進(jìn)一步阻礙上肢功能恢復(fù)^[26]。因此，對偏癱的肩關(guān)節(jié)進(jìn)行細(xì)致化訓(xùn)練是必要的。近年來，基于機(jī)器人的康復(fù)治療一直受到關(guān)注，可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)，并提出足夠的康復(fù)訓(xùn)練量，對腦卒中后病人肩痛有明顯的改善效果^[27]。蘇鵬等^[28]將43例病程不超過6個月病人分為對照組和機(jī)器人訓(xùn)練組，前者進(jìn)行以上肢粗大和精細(xì)運(yùn)動訓(xùn)練為主的常規(guī)上肢康復(fù)訓(xùn)練，后者在常規(guī)訓(xùn)練基礎(chǔ)上加以上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練，每周5次，訓(xùn)練4周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)器人訓(xùn)練組肩部疼痛緩解，肩關(guān)節(jié)前屈45°與90°的角度差絕對值較對照組明顯減少。金媛媛等^[29]將40例病程1～4個月的腦卒中病人分別接受常規(guī)訓(xùn)練（對照組）和常規(guī)訓(xùn)練+上肢機(jī)器人訓(xùn)練（觀察組），每次訓(xùn)練40 min，每天2次，每周5 d，持續(xù)4周，研究發(fā)現(xiàn)觀察組在肩關(guān)節(jié)內(nèi)外旋30°、60°主動運(yùn)動角度與參考角度的相關(guān)性值、平均軌跡誤差均低于對照組，P300潛伏期及測試執(zhí)行時間均短于對照組。以上研究通過上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練可以進(jìn)行高重復(fù)性運(yùn)動，刺激病人神經(jīng)功能的恢復(fù)，幫助病人重建正確的運(yùn)動模式，促進(jìn)病人肩關(guān)節(jié)本體感覺改善，提高病人的上肢功能，但訓(xùn)練時間較短，大多只在干預(yù)期間取得良好效果，對病人后續(xù)的康復(fù)效果尚未得知，有待進(jìn)一步通過延長干預(yù)時間、重復(fù)測量干預(yù)指標(biāo)觀察康復(fù)效果。

3.2 手功能訓(xùn)練

手部功能障礙是腦卒中后幸存者嚴(yán)重的運(yùn)動功能障礙，對生活獨(dú)立性和日常生活活動能力產(chǎn)生巨大影響^[30]。腦卒中后病人的傳統(tǒng)手部功能康復(fù)是基于集中運(yùn)動和耗時的治療，目前機(jī)器人輔助訓(xùn)練裝置在重復(fù)訓(xùn)練和強(qiáng)化運(yùn)動方面比傳統(tǒng)手動療法有顯著效果。李瑩華^[31]將病程≤6個月的44例腦卒中偏癱病人分為試驗(yàn)組和對照組，試驗(yàn)組接受40 min常規(guī)上肢康復(fù)訓(xùn)練+力反饋手部康復(fù)機(jī)器人輔助的任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練20 min，對照組接受40 min常規(guī)上肢康復(fù)訓(xùn)練+治療師輔助的任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練20 min，兩組訓(xùn)練每日1次，每周5 d，干預(yù)4周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)力反饋康復(fù)機(jī)器人輔助下的任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練可以改善腦卒中偏癱病人手指抓握和伸屈功能。Trompetto等^[32]使用機(jī)械手對亞急性腦卒中病人進(jìn)行特定任務(wù)訓(xùn)練可以緩解病人手指痙攣和伸屈功能，與Coskunsu等^[33]研究結(jié)果不一致，可能與受試對象不同有關(guān)，急性期病人癥狀不穩(wěn)定，阻礙大腦的可塑性重組，進(jìn)而限制功能恢復(fù)。基于腦機(jī)接口控制的軟機(jī)器人比單獨(dú)的機(jī)器人效果顯著，在康復(fù)過程中移動順暢且靈活，使手指精細(xì)動作更協(xié)調(diào)，但對于中度和重度手指屈伸效果不顯著^[34?35]。也有研究發(fā)現(xiàn)，手指功能的訓(xùn)練可以積極轉(zhuǎn)化為近端手臂功能的恢復(fù)，一項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)研究結(jié)果表明，與常規(guī)神經(jīng)治療比較，使用ReHapticKnob觸覺設(shè)備的機(jī)器人輔助神經(jīng)認(rèn)知治療能更好地促進(jìn)手臂功能的恢復(fù)^[36]。對于是否能夠長期改善病人的手功能，有待進(jìn)一步隨訪觀察干預(yù)效果。

3.3 步行功能訓(xùn)練

腦卒中后病人行走常具有不對稱性和不穩(wěn)定性，早期、高強(qiáng)度和重復(fù)性的步態(tài)訓(xùn)練可以改善預(yù)后，而機(jī)器人可以使腦卒中后病人早期進(jìn)行持續(xù)性的步行訓(xùn)練，促進(jìn)下肢功能的進(jìn)一步恢復(fù)^[37]。Tomida等^[38]將26例原發(fā)性腦卒中偏癱病人隨機(jī)分為使用步態(tài)運(yùn)動輔助機(jī)器人（GEAR）的干預(yù)組和進(jìn)行常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練的對照組，分別在入院時、干預(yù)期間（4周）、干預(yù)開始后8周和出院時評估病人功能獨(dú)立性測量（FIM）步行評分的改善效率，發(fā)現(xiàn)使用GEAR干預(yù)組在改善步行方面明顯優(yōu)于對照組，且在干預(yù)期間評分最高，在8周后和出院時兩組無顯著差異。Yeung等^[39]研究表明，亞急性腦卒中幸存者在地面和樓梯上接受常規(guī)訓(xùn)練并結(jié)合20次機(jī)器人輔助訓(xùn)練在步態(tài)獨(dú)立性和行走速度方面顯著改善。以上研究表明，早期應(yīng)用下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練可以在一定程度上對腦卒中病人下肢運(yùn)動功能具有良好效果。而也有研究發(fā)現(xiàn)在改善腦卒中病人的運(yùn)動能力方面，機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練比常規(guī)步行訓(xùn)練干預(yù)效果并不顯著^[40]。這可能與訓(xùn)練時間、訓(xùn)練方式、治療師的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)系，以后還需要更多的研究來驗(yàn)證機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練對病人步行能力方面的干預(yù)效果。

3.4 平衡功能訓(xùn)練

平衡能力與腦卒中后病人下肢運(yùn)動功能恢復(fù)和跌倒風(fēng)險(xiǎn)是否增加密切相關(guān)。平衡功能的恢復(fù)大多數(shù)依賴于步行訓(xùn)練。腦卒中早期病人應(yīng)用機(jī)器人輔助訓(xùn)練后，病人的平衡功能有所提高。Rojek等^[41]對44例缺血性腦卒中病人分別進(jìn)行Ekso GT外骨骼步態(tài)訓(xùn)練（試驗(yàn)組）和傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練（對照組），每周訓(xùn)練5次，持續(xù)4周，結(jié)果表明，干預(yù)4周內(nèi)試驗(yàn)組步行時間明顯增加，且肢體平衡的改善優(yōu)于對照組。此外，特定的平衡訓(xùn)練也可以起到相同作用，Inoue等^[42]將60例亞急性腦卒中病人隨機(jī)分為觀察組和對照組，觀察組為平衡運(yùn)動輔助機(jī)器人結(jié)合常規(guī)住院康復(fù)訓(xùn)練，對照組為僅進(jìn)行常規(guī)住院康復(fù)訓(xùn)練，在干預(yù)前、干預(yù)2周、干預(yù)后2周隨訪時進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用平衡運(yùn)動輔助機(jī)器人與常規(guī)住院康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合進(jìn)行的平衡練習(xí)與常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練對比，明顯可以改善亞急性腦卒中病人的平衡能力。但在測量平衡功能方面，多數(shù)研究對病人平衡功能是否改善都是基于Berg平衡量表評估，缺乏客觀的測量工具，對平衡功能測量工具的開發(fā)仍有待進(jìn)一步研究。

4 ?機(jī)器人在腦卒中后運(yùn)動障礙病人早期康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)用的不足與改進(jìn)方向

目前，對于上下肢運(yùn)動障礙病人康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究較多，對其不足與改進(jìn)的方面主要集中在病人與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)良好交互和機(jī)器人在遠(yuǎn)程康復(fù)的應(yīng)用。1）病人與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)良好交互方面。影響人機(jī)交互的關(guān)鍵因素是病人對機(jī)器人的信任度，即病人對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的依賴程度。目前機(jī)器人在腦卒中病人運(yùn)動康復(fù)中應(yīng)用的最大缺點(diǎn)是機(jī)械化執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)，忽視病人的體驗(yàn)感受。一項(xiàng)對長期康復(fù)的腦卒中病人訪談研究發(fā)現(xiàn)，人形機(jī)器人，如社交輔助機(jī)器人提高了病人對康復(fù)活動的滿意度，病人手部運(yùn)動功能康復(fù)效果較好^[43]。這種基于人形機(jī)器人技術(shù)實(shí)施輔助康復(fù)治療，可以實(shí)現(xiàn)類似于人與病人互動的場景，但僅傾向于包括信息提供、反饋和關(guān)系相關(guān)的治療互動，由病人本人或治療師進(jìn)行主動或被動訓(xùn)練，很少開展機(jī)器人可以同時發(fā)揮輔助訓(xùn)練和與病人實(shí)現(xiàn)互動的研究。2）機(jī)器人在遠(yuǎn)程康復(fù)的應(yīng)用方面。目前腦卒中后運(yùn)動障礙病人的康復(fù)訓(xùn)練主要在院內(nèi)進(jìn)行，因其成本和技術(shù)的復(fù)雜性很少在家庭中開展。遠(yuǎn)程康復(fù)對病人而言是一種方便、容易獲得的一種方式，將康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人與遠(yuǎn)程通信設(shè)備結(jié)合使用，可以監(jiān)控遠(yuǎn)程狀態(tài)下病人的運(yùn)動訓(xùn)練和獲取運(yùn)動指標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋?zhàn)龀黾皶r調(diào)整，保證醫(yī)護(hù)人員和病人信息交流的及時性。Nam等^[44]對腦卒中病人在家中進(jìn)行由腦電圖驅(qū)動的手腕外骨骼機(jī)器人輔助上肢訓(xùn)練，每周3～5次，每次60 min，康復(fù)治療師通過智能手機(jī)開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)Σ∪藢?shí)時監(jiān)測，可以有效改善患側(cè)上肢的運(yùn)動功能。遠(yuǎn)程機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)家庭康復(fù)的劣勢，可以提供客觀的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和反饋結(jié)果，給病人帶來便利的同時又節(jié)省醫(yī)療花費(fèi)的成本，但對病人特殊情況的處理存在一定的缺陷，未來可以在遠(yuǎn)程機(jī)器人康復(fù)的同時，添加對病人生理評估的模塊。

5 ?小結(jié)

早期康復(fù)訓(xùn)練對腦卒中后運(yùn)動障礙病人是否能夠重返運(yùn)動和生活具有重大意義。機(jī)器人輔助早期康復(fù)訓(xùn)練可以有效提高腦卒中后病人運(yùn)動功能，在肩部功能訓(xùn)練、手功能訓(xùn)練、步行功能訓(xùn)練、平衡功能訓(xùn)練等方面有明顯的改善效果。但隨著醫(yī)學(xué)科技的發(fā)展，機(jī)器人需要在各方面、多層次提升服務(wù)質(zhì)量，亟須采取其他輔助技術(shù)實(shí)現(xiàn)病人與機(jī)器人良好交互，提高病人對機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練的滿意度和信任度，同時將機(jī)器人和遠(yuǎn)程康復(fù)平臺有機(jī)結(jié)合，加強(qiáng)居家康復(fù)監(jiān)測管理，進(jìn)一步提高康復(fù)效果，降低致殘率，更好地幫助病人提高生活質(zhì)量，回歸家庭和社會。

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（收稿日期：2023-06-01；修回日期：2024-03-25）

（本文編輯?蘇琳）