外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展

外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展李宏偉;張韜;馮垚娟;林海丹;白定群【摘要】Accordingtocharacteristicsofgait-assistedtraining,exoskeletonbasedlowerlimbrehabilitationrobotcanbeclassifiedintotreadmill-basedexoskeletonrobotandover-groundexoskeletonrobot.Bothkindsofexoskeleton-basedlowerlimbrehabilitationrobothavebeenappliedinstrokerehabilitation,bothinsubacuteandchronicstages,thatmaydosomethingingaittraining,balanceimprovementandlowerlimbmotorfunctionrecovery.%外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人根據(jù)其輔助步行訓(xùn)練的特點(diǎn)可分為基于平板訓(xùn)練的機(jī)器人和平地行走訓(xùn)練機(jī)器人.這兩類外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人均在亞急性期和慢性期腦卒中患者康復(fù)中得到應(yīng)用,對腦卒中患者步態(tài)、平衡功能的改善,以及下肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)有一定臨床意義.期刊名稱】《中國康復(fù)理論與實(shí)踐》年(卷),期】2017(023)007【總頁數(shù)】4頁(P788-791)【關(guān)鍵詞】腦卒中;外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)功能;康復(fù);綜述【作者】李宏偉;張韜;馮垚娟;林海丹;白定群【作者單位】重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,重慶市400016;重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,重慶市400016;重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,重慶市400016;重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,重慶市400016;重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,重慶市400016正文語種】中文【中圖分類】R743.3［本文著錄格式］李宏偉，張韜，馮垚娟，等.外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展［幾中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(7):788-791.CITEDAS：LiHW,ZhangT,FengYJ,etal.Applicationofexoskeleton-basedlowerlimbrehabilitationrobotinstrokerehabilitation(review)［J］.ZhongguoKangfuLilunYuShijian,2017,23(7):788-791.腦卒中患者大都伴有不同程度下肢運(yùn)動(dòng)障礙，即使經(jīng)過適當(dāng)?shù)目祻?fù)治療，也有30%~40%患者存在限制性或喪失步行能力［1］。步行功能受限不僅嚴(yán)重影響患者日常生活活動(dòng)及心理狀態(tài)，也增加其家庭乃至社會(huì)的負(fù)擔(dān)［2］。傳統(tǒng)的神經(jīng)促進(jìn)技術(shù)以及步行訓(xùn)練能夠一定程度改善運(yùn)動(dòng)功能，但這種依靠治療師一對一徒手治療，難以達(dá)到精準(zhǔn)重復(fù)、有針對性的早期高強(qiáng)度訓(xùn)練目標(biāo)。日益發(fā)展的醫(yī)療技術(shù)不僅能大大提高腦卒中患者的存活率，還為其康復(fù)提供了更先進(jìn)的技術(shù)保障［3］。外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人是近年發(fā)展較快的一項(xiàng)新技術(shù)，它不僅支持力量較弱的患者進(jìn)行早期減重狀態(tài)下模擬正常步態(tài)行走，提供個(gè)性化的步行訓(xùn)練方案，改善下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，還能減輕治療師負(fù)擔(dān)，節(jié)約社會(huì)資源［4］。外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人根據(jù)其輔助步行訓(xùn)練的特點(diǎn)可分為兩大類:基于平板訓(xùn)練的機(jī)器人(treadmill-basedexoskeletonrobot)和平地行走訓(xùn)練機(jī)器人(overgroundexoskeletonrobot)［5］?；谄桨逵?xùn)練的機(jī)器人系統(tǒng)組成Lokomat是世界上第一臺將運(yùn)動(dòng)平板與外骨骼機(jī)械腿相結(jié)合的減重步行訓(xùn)練機(jī)器人［6］。該型訓(xùn)練機(jī)器人主要由懸吊減重支持系統(tǒng)、下肢外骨骼步態(tài)矯正器和跑臺及其控制系統(tǒng)組成。其中步態(tài)矯正器的兩條機(jī)械腿包含有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和敏感的傳感器件。使用時(shí)，將機(jī)械腿與人體下肢綁定，通過機(jī)械腿模擬正常步態(tài)，帶動(dòng)雙腿進(jìn)行協(xié)調(diào)擺動(dòng)，完成步行訓(xùn)練。此類機(jī)器人還包括ALEX(UniversityofDelaware,USA)、LOPES(UniversityofTwente,Netherlands)等［7］。訓(xùn)練特點(diǎn)每條外骨骼機(jī)械腿由2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)機(jī)械腿擺動(dòng)，完成髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)［8-9］。髖、膝關(guān)節(jié)能以系統(tǒng)軟件設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)步態(tài)訓(xùn)練，也可根據(jù)患者本身的運(yùn)動(dòng)功能水平進(jìn)行主、被動(dòng)訓(xùn)練。安裝在腿部的傳感器能對驅(qū)動(dòng)力矩、關(guān)節(jié)角度等信息進(jìn)行測量，并實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng)，以在線進(jìn)行訓(xùn)練狀態(tài)評估與引導(dǎo)，設(shè)置個(gè)性化的訓(xùn)練方案。其虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)不僅能給予視覺刺激，更能增加訓(xùn)練的趣味性及參與性，達(dá)到更好的效果。適應(yīng)癥近年來，以Lokomat為代表的基于平板訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人在臨床應(yīng)用上得到廣泛應(yīng)用，其適應(yīng)癥包括腦卒中、脊髓損傷、腦癱、多發(fā)性硬化癥和帕金森病等具有下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者。在使用過程中，機(jī)械腿的受力會(huì)被實(shí)時(shí)偵測，當(dāng)受到一定阻力時(shí)，機(jī)器人為了保護(hù)患者安全，會(huì)終止步行任務(wù)，所以下肢肌張力較高以及認(rèn)知功能較差的患者在訓(xùn)練中易造成機(jī)械臂停止工作，需慎用。平地行走訓(xùn)練機(jī)器人1.2.1系統(tǒng)組成Ekso(EksoBionics,USA)是極具代表性的一款平地行走訓(xùn)練機(jī)器人。該種機(jī)器人由外骨骼穿戴裝置和專用拐杖構(gòu)成。整合在背包里面的液壓缸和電池為機(jī)器人提供動(dòng)力，專用拐杖上不僅有控制按鈕，還能維持訓(xùn)練者平衡。其他平地行走訓(xùn)練機(jī)器人還包括Rewalk(RewalkRobotics,Israel)、Indego(ParkerHannifin,USA)、HAL(Cybernics)等。1.2.2訓(xùn)練特點(diǎn)平地行走訓(xùn)練機(jī)器人是針對不能行走的患者研發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，相對于基于平板訓(xùn)練的機(jī)器人，可移動(dòng)性是其最大特點(diǎn)?；颊叽┐魃贤夤趋?，整合在背包里的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)下肢完成從坐到站、從站到坐和行走等轉(zhuǎn)移動(dòng)作，同時(shí)可借助手杖等輔助器具維持身體平衡和控制動(dòng)作［7］?；颊吣軌蛲ㄟ^它完成有目標(biāo)針對性的功能缺損訓(xùn)練，如從坐到站訓(xùn)練。同時(shí)這些可移動(dòng)設(shè)備還能輔助患者日常生活活動(dòng)，改善生活質(zhì)量。由于輔助行走不借用運(yùn)動(dòng)平板和減重系統(tǒng)，以真實(shí)路面作為訓(xùn)練場所，能為患者提供更復(fù)雜的訓(xùn)練環(huán)境和視覺反饋，利于功能恢復(fù)。1.2.3適應(yīng)癥平地行走訓(xùn)練機(jī)器人最早用于輔助完全性脊髓損傷患者進(jìn)行步行［10］。由于訓(xùn)練場景的真實(shí)性和可移動(dòng)性等特點(diǎn)，近年也被用于腦卒中患者康復(fù)的研究及臨床實(shí)踐中［11］。此類機(jī)器人進(jìn)行行走訓(xùn)練時(shí)，患者需要主動(dòng)參與，使腿進(jìn)入擺動(dòng)期；由于沒有懸吊減重裝置輔助，對使用者的軀干控制能力和平衡功能提出更高要求，認(rèn)知和平衡協(xié)調(diào)功能較差的患者需謹(jǐn)慎使用。對步行訓(xùn)練的影響患側(cè)肢體重復(fù)進(jìn)行大量正常運(yùn)動(dòng)模式訓(xùn)練，可擴(kuò)大支配該肢體運(yùn)動(dòng)的皮質(zhì)區(qū)域，增強(qiáng)神經(jīng)傳遞效率，有利于建立正常運(yùn)動(dòng)程序，提高神經(jīng)可塑性［12］。傳統(tǒng)康復(fù)通過康復(fù)評估，制定符合患者病情的運(yùn)動(dòng)及功能訓(xùn)練方案，有針對性的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對神經(jīng)末梢及肌肉活性產(chǎn)生刺激，促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)恢復(fù)［13］。這種方法依靠康復(fù)治療師的體力，訓(xùn)練強(qiáng)度有限，難以實(shí)現(xiàn)大量重復(fù)的精準(zhǔn)訓(xùn)練。運(yùn)用減重平板訓(xùn)練(bodyweight-supportedtreadmilltraining,BWSTT)也難達(dá)到預(yù)期的要求。雖然BWSTT能讓患者在減重狀態(tài)下進(jìn)行步態(tài)周期重復(fù)訓(xùn)練，但需要治療師徒手輔助患肢進(jìn)行模擬擺動(dòng)，有時(shí)甚至需要另一名治療師輔助穩(wěn)定軀干。為了解決康復(fù)過程中的這些問題，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、針對性、可重復(fù)且以任務(wù)為導(dǎo)向的訓(xùn)練，同時(shí)減輕治療師繁重的體力勞動(dòng)，外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。康復(fù)機(jī)器人輔助療法不僅能解放治療師勞動(dòng)力，還能實(shí)現(xiàn)患者早期步行訓(xùn)練，提供高強(qiáng)度重復(fù)性的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制；根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，發(fā)揮患者最大主動(dòng)性；通過輸入定量運(yùn)動(dòng)刺激、實(shí)時(shí)訓(xùn)練監(jiān)測與評估，為患者提供更為科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃［14］。平地行走訓(xùn)練機(jī)器人更能讓患者在真實(shí)環(huán)境中訓(xùn)練，為患者提供更為豐富的視覺空間刺激。早期偏癱患者站立平衡、下肢力量及運(yùn)動(dòng)控制等較差，缺乏行走能力。下肢康復(fù)機(jī)器人不僅能輔助患者盡早站立，還能提供反復(fù)的正常步態(tài)刺激，幫助患者恢復(fù)。國內(nèi)外將此類機(jī)器人應(yīng)用于亞急性期偏癱患者的研究也逐漸增多?；谄桨逵?xùn)練的機(jī)器人一項(xiàng)前瞻性隨機(jī)對照試驗(yàn)證明［15］，機(jī)器人結(jié)合傳統(tǒng)步態(tài)訓(xùn)練對早期臥床偏癱患者步行功能的改善有積極意義。多個(gè)研究證明，機(jī)器人結(jié)合傳統(tǒng)康復(fù)療法能明顯促進(jìn)患者步行能力恢復(fù)［16-18］。機(jī)器人輔助行走訓(xùn)練也能提高患者靜、動(dòng)態(tài)平衡功能［19］。一項(xiàng)隨機(jī)對照研究顯示，機(jī)器人輔助訓(xùn)練后，患者峰值攝氧量存在有意義的改變，提示步行訓(xùn)練機(jī)器人有潛在提高患者心肺功能的作用［20］?！?xiàng)為期4周的機(jī)器人步行訓(xùn)練研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Berg平衡量表評分高于9分和病程短與步行能力提高高度相關(guān)［21］。另有研究顯示，沒有疼痛、視覺空間理解能力和溝通交流能力高的早期偏癱患者，更能實(shí)現(xiàn)積極的訓(xùn)練效果［22］。平地行走訓(xùn)練機(jī)器人—項(xiàng)研究對8例亞急性期偏癱患者進(jìn)行機(jī)器人訓(xùn)練，治療后患者步行速度和功能性步行能力有明顯提高［23］。另外兩項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)機(jī)器人訓(xùn)練對亞急性患者的步行速度提高有積極效果［24-25］?！?xiàng)研究對比機(jī)器人輔助步行訓(xùn)練與傳統(tǒng)訓(xùn)練的療效，經(jīng)過4周訓(xùn)練，兩組在步行速度及步行耐力方面無顯著性差異，但實(shí)驗(yàn)組功能性步行能力顯著改善［26］。在腦卒中后的前6周，患者功能恢復(fù)最快［27］。兩種類型機(jī)器人在早期偏癱患者中展現(xiàn)出的積極治療效果也反映出這一點(diǎn)?，F(xiàn)有較多對基于平板訓(xùn)練機(jī)器人的研究，對偏癱患者早期治療效果也得到證實(shí)，但還需要進(jìn)一步研究其治療參數(shù)，如減重量步行速度等對治療效果的影響。近年有研究關(guān)注平地行走訓(xùn)練機(jī)器人的應(yīng)用，雖有少量研究證實(shí)其效果，但還缺乏大樣本隨機(jī)對照試驗(yàn)支持。腦卒中患者進(jìn)入慢性期后，雖然神經(jīng)功能恢復(fù)減慢，但經(jīng)過適當(dāng)康復(fù)治療，患者的功能活動(dòng)仍能得到改善。3.1基于平板訓(xùn)練的機(jī)器人一項(xiàng)個(gè)案研究報(bào)道，慢性偏癱患者接受為期6周的機(jī)器人訓(xùn)練后，行走耐力、速度和步行能力都有明顯改善；表面肌電圖檢查發(fā)現(xiàn)股內(nèi)側(cè)肌運(yùn)動(dòng)單元活動(dòng)明顯提高［28］。其他研究者不僅發(fā)現(xiàn)機(jī)器人訓(xùn)練能夠改善慢性期偏癱患者步行能力，還對患者的平衡功能甚至平衡信心有積極影響［29-30］。配合機(jī)器人的主動(dòng)訓(xùn)練也有助于嚴(yán)重下肢功能障礙患者步行能力恢復(fù)［31］。高速機(jī)器人訓(xùn)練比傳統(tǒng)的步行訓(xùn)練方式更能改善患者的步行能力及平衡功能［32］。將功能性電刺激與機(jī)器人訓(xùn)練相結(jié)合，患者步行功能及平衡能力較單獨(dú)使用機(jī)器人訓(xùn)練有提高的趨勢，但無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［33］。在機(jī)器人訓(xùn)練中加入功能性電刺激可提高患者的主動(dòng)參與，沒有副作用。平地行走訓(xùn)練機(jī)器人平地行走訓(xùn)練機(jī)器人在改善慢性偏癱患者的步行功能、步行速度和步行耐力方面都有積極影響［34-36］。一項(xiàng)非隨機(jī)對照研究顯示，實(shí)驗(yàn)組在8周訓(xùn)練之后，10米步行測試(tenmeterwalktest,10MWT)和計(jì)時(shí)起立-行走測試(timedupandgo,TUG)成績比進(jìn)行傳統(tǒng)訓(xùn)練的對照組有更明顯的改善［37］。但另一項(xiàng)單盲隨機(jī)對照研究沒有得到類似結(jié)果，經(jīng)過6周訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)組6分鐘步行測試(six-minutewalktest,6MWT)、10MWT和TUG成績與對照組無顯著性差異［38］。雖然一些研究肯定兩類機(jī)器人都能在一定程度上改善慢性偏癱患者的步行能力，但大部分都是低質(zhì)量的個(gè)案研究，還需進(jìn)一步研究證明其效果。外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中患者步態(tài)的糾正及步行能力恢復(fù)等方面展現(xiàn)出一定的治療效果，也成為近年腦卒中康復(fù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。特別是基于平板訓(xùn)練的外骨骼下肢機(jī)器人在臨床上得到大力推廣和應(yīng)用。盡管如此，其應(yīng)用也面臨一定的局限性。此類康復(fù)機(jī)器人只有髖、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，缺少對踝關(guān)節(jié)活動(dòng)的精確控制，而踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)對于維持正常步行功能至關(guān)重要；其對盆骨和軀干也有較大限制，盆骨只能在垂直平面進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，缺少水平面旋轉(zhuǎn)，軀干也缺乏相應(yīng)的擺動(dòng)，限制患者步行中的重心轉(zhuǎn)移；康復(fù)機(jī)器人的輔助訓(xùn)練易讓患者進(jìn)入被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式，需要治療師在旁提醒，促進(jìn)其主動(dòng)參與；人機(jī)互動(dòng)模式較單一，虛擬場景較少，訓(xùn)練者易失去新鮮感，需要更逼真、更豐富的場景增強(qiáng)其訓(xùn)練積極性。平地行走機(jī)器人能夠給予患者更真實(shí)的環(huán)境刺激，但對軀干控制能力及重心轉(zhuǎn)移能力差的早期患者，可能更合適使用基于平板訓(xùn)練的機(jī)器人。平地行走機(jī)器人尚未大范圍應(yīng)用于臨床，還需要更多研究驗(yàn)證其對于腦卒中患者的治療效果。未來應(yīng)該進(jìn)一步探索康復(fù)機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)對患者康復(fù)的意義，為不同類型患者制定有針對性的訓(xùn)練處方；也應(yīng)繼續(xù)探討康復(fù)機(jī)器人對中樞神經(jīng)恢復(fù)的作用機(jī)制，為臨床應(yīng)用提供更好的理論支撐。兩類機(jī)器人治療效果的對比研究也是未來應(yīng)該探討的問題。相信隨著外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，對其研究的不斷深入，下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者會(huì)得到更大的益處?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】KollenBJ,KwakkelG,LindemanE.Longitudinalrobustnessofvariablespredictingindependentgaitfollowingseveremiddlecerebralarterystroke：aprospectivecohortstudy[J].ClinRehabil,2006,20(3)：262-268.BaerG,SmithM.Therecoveryofwalkingabilityandsubclassificationofstroke[J].PhysiotherResInt,2001,6(3)：135-144.FeiginVL,KrishnamurthiRV,ParmarP,etal.Updateontheglobalburdenofischemicandhemorrhagicstrokein1990-2013：theGBD2013study[J].Neuroepidemiology,2015,45(3)：161-176.TuckerMR,OlivierJ,PagelA,etal.Controlstrategiesforactivelowerextremityprostheticsandorthotics：areview[J].JNeuroengRehabil,2015,12(1)：1.ChenG,ChanCK,GuoZ,etal.Areviewoflowerextremityassistiveroboticexoskeletonsinrehabilitationtherapy[J].CritRevBiomedEng,2013,41(4-5)：343-363.JezernikS,ColomboG,KellerT,etal.Roboticorthosislokomat：arehabilitationandresearchtool[J].Neuromodulation,2003,6(2)：108-115.LouieDR,EngJJ.Poweredroboticexoskeletonsinpoststrokerehabilitationofgait：ascopingreview[J].JNeuroengRehabil,2016,13(1)：53.BingC,HaoM,Lai-YinQ,etal.Recentdevelopmentsandchallengesoflowerextremityexoskeletons[J].JOrthopTrans,2016,5(1)：26-37.潘鈺，郄淑燕?下肢康復(fù)機(jī)器人及其在脊髓損傷康復(fù)中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].中國脊柱脊髓雜志,2013,23(11)：1010-1014.SaleP,FranceschiniM,WaldnerA,etal.Useoftherobotassistedgaittherapyinrehabilitationofpatientswithstrokeandspinalcordinjury[J].EurJPhysRehabilMed,2012,48(1)：111-121.ScrivenerK,SherringtonC,SchurrK.Exercisedoseandmobilityoutcomeinacomprehensivestrokeunit：descriptionandpredictionfromaprospectivecohortstudy[J].JRehabilMed,20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