下肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)腦癱患兒步行能力改善的研究進(jìn)展

郭海濱，周璇，杜青

腦性癱瘓(cerebral palsy，CP)簡(jiǎn)稱CP，由先天性發(fā)育缺陷或獲得性疾病等非進(jìn)行性腦損傷所致，患病率約為每1000活產(chǎn)兒中有2.0～3.5個(gè)[1]。CP主要表現(xiàn)為身體活動(dòng)受限，永久性運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)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(lái)提高其生活自理能力十分重要。傳統(tǒng)的下肢康復(fù)包括由治療師指導(dǎo)進(jìn)行的減重步態(tài)訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練等，以及使用矯形器治療[3]。CP持續(xù)終身，需要長(zhǎng)期進(jìn)行規(guī)范化康復(fù)，意味著大量人力物力的消耗。我國(guó)康復(fù)技術(shù)人員僅4萬(wàn)余人，80%從事成人康復(fù)，而我國(guó)CP患兒高達(dá)200萬(wàn)[4]，僅靠當(dāng)前人力難以滿足需求。而康復(fù)機(jī)器人彌補(bǔ)了這一問(wèn)題，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＯ轮祻?fù)機(jī)器人是根據(jù)機(jī)器人學(xué)、仿生學(xué)、控制理論以及信息處理技術(shù)等原理，設(shè)計(jì)出的可穿戴在人體下肢并可在使用者操縱下完成特定動(dòng)作的智能化、機(jī)械化的仿生機(jī)器人[5]。在CP康復(fù)領(lǐng)域，機(jī)器人可與特定任務(wù)結(jié)合，進(jìn)行主、被動(dòng)訓(xùn)練，幫助CP患兒改善特定的關(guān)節(jié)肌肉功能。下肢康復(fù)機(jī)器人的療效已被多項(xiàng)研究證明，機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練可改善CP患兒的步行速度，耐力和粗大運(yùn)動(dòng)能[6]。與人力康復(fù)相比，機(jī)器人康復(fù)具有一些優(yōu)勢(shì)，包括安全性、參與性、可重復(fù)性、步態(tài)一致性以及節(jié)約人力[7]。但價(jià)格高昂在一定程度上限制了其在臨床上的應(yīng)用。本文重點(diǎn)綜述下肢康復(fù)機(jī)器人在CP患兒中的應(yīng)用進(jìn)展、療效及其存在的問(wèn)題。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人概述

1.1 發(fā)展歷史 20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國(guó)、英國(guó)、加拿大在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。隨著材料、控制系統(tǒng)、傳感等機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展，智能化、機(jī)械化、自動(dòng)化程度的提高，1990年以后康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)入到全面發(fā)展時(shí)期。德國(guó)的步態(tài)訓(xùn)練機(jī)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(jī)器人更是將下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展推向新的臺(tái)階，驅(qū)動(dòng)自主帶動(dòng)人體下肢在跑步機(jī)上進(jìn)行減重步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，提供合適的負(fù)重，可改善患兒步態(tài)，至今仍是應(yīng)用最廣泛的下肢康復(fù)機(jī)器人[8]。目前，以上兩種機(jī)器人已有兒童型，用于CP患兒的步態(tài)訓(xùn)練。

1.2 應(yīng)用方向 下肢康復(fù)機(jī)器人主要針對(duì)三種應(yīng)用方向而開(kāi)發(fā)。第一，主要應(yīng)用于步態(tài)康復(fù)，即幫助運(yùn)動(dòng)障礙患兒進(jìn)行骨骼肌肉力量、運(yùn)動(dòng)控制和步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。第二，主要應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)輔助，針對(duì)癱瘓而失去下肢運(yùn)動(dòng)能力的患兒，幫助其恢復(fù)站立、坐下、走路等日?；顒?dòng)能力。第三，主要應(yīng)用于增加健全人群的身體力量，主要用于軍事、救災(zāi)等[9]。

1.3 功能分類 下肢康復(fù)機(jī)器人根據(jù)功能通常分為兩類：① “末端執(zhí)行器型”，如Gait Trainer(德國(guó))和LokoHelp(美國(guó))，末端執(zhí)行器型機(jī)器人作用在足部，通過(guò)足部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患者的全身肌肉恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。② “外骨骼型”，如ReWalk(德國(guó))和Lokomat(瑞士)，外骨骼型機(jī)器人是作用在雙腿，幫助沒(méi)有站立能力的CP患兒實(shí)現(xiàn)坐、站、行走、上下樓梯等基本身體活動(dòng)[10]。

1.4 國(guó)際常見(jiàn)機(jī)型及應(yīng)用分類 目前國(guó)際上有多種類型下肢康復(fù)機(jī)器人已投入臨床，逐漸取代傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練器械。按應(yīng)用方向，可將國(guó)際上常見(jiàn)的下肢康復(fù)機(jī)器人分為3類。①應(yīng)用于步態(tài)康復(fù)：如日本Cyberdyne公司研發(fā)的HAL機(jī)器人，可通過(guò)動(dòng)力單元及各類傳感器等，作用于髖、膝、踝關(guān)節(jié)，可根據(jù)患兒重心變換進(jìn)行實(shí)時(shí)輔助。HAL的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是具有生物意識(shí)控制系統(tǒng)和自主控制系統(tǒng)[10-11]。HAL配合理療，可使CP患兒步態(tài)得到明顯改善[12]。與Lokomat不同，HAL是可穿戴的機(jī)器人，因此可以在跑步機(jī)以外的場(chǎng)地上進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練。此外，HAL可以進(jìn)行除步行以外的訓(xùn)練，例如站立，爬樓梯和下肢肌力鍛煉。②應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)輔助：如新西蘭Rex Bionic公司研發(fā)的Rex機(jī)器人，主要針對(duì)下肢松弛和癱瘓的患兒，在髖、膝關(guān)節(jié)處助力，能將患兒從坐姿提升到機(jī)器人支撐的站立姿勢(shì)，配合使用拐杖，使其能夠參加由治療師設(shè)計(jì)的步行和伸展運(yùn)動(dòng)，以幫助實(shí)現(xiàn)康復(fù)目標(biāo)[13]。同樣還有以色列ReWalk Robotics公司研發(fā)的ReWalk機(jī)器人[21]以及美國(guó)Parker Hannifin公司所研發(fā)的Indego機(jī)器人[18]，可通過(guò)傳感技術(shù)來(lái)判斷下肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，配合拐杖提供有力的髖部和膝關(guān)節(jié)支持，使患兒能夠站立，行走，轉(zhuǎn)身以及上下樓梯。③同時(shí)應(yīng)用于步態(tài)康復(fù)和運(yùn)動(dòng)輔助：如美國(guó)Ekso Bionics 公司研發(fā)的Ekso GT，集以上兩類機(jī)器人的功能，在髖、膝關(guān)節(jié)處助力同時(shí)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(jiān)測(cè)，不斷調(diào)節(jié)腿部運(yùn)動(dòng)，最大程度減少代償性步態(tài)[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(fù)機(jī)器人進(jìn)行輔助治療?？瑟?dú)立行走但步態(tài)不佳的患兒，可以選擇HAL、Lokomat等機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，糾正其不良姿態(tài)；而無(wú)法獨(dú)立行走的患兒則可以借助ReWalk、Rex等機(jī)器人輔助步行，重獲行走能力，來(lái)提高日常生活活動(dòng)能力。

2 下肢機(jī)器人促進(jìn)腦癱患兒步行能力恢復(fù)的機(jī)制

機(jī)器人神經(jīng)康復(fù)技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上是基于神經(jīng)可塑性理論，即通過(guò)行為訓(xùn)練恢復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[22-23]。訓(xùn)練中，CP患兒以符合生物力學(xué)的正確方式反復(fù)練習(xí)步行運(yùn)動(dòng)，來(lái)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)皮層表現(xiàn)的改善，恢復(fù)并增強(qiáng)肌肉群的能力，改善CP患兒協(xié)調(diào)性?？祻?fù)機(jī)器人在減重狀態(tài)下輔助CP患兒模擬正常步行周期，強(qiáng)化了外周深淺感覺(jué)的刺激[4]，同時(shí)康復(fù)治療師設(shè)計(jì)個(gè)性化運(yùn)動(dòng)康復(fù)方案以適應(yīng)不同CP患兒的特殊需求和能力，并且通過(guò)下肢康復(fù)機(jī)器人測(cè)量和量化運(yùn)動(dòng)的可能性，跟蹤C(jī)P患兒的進(jìn)展，從而改善預(yù)后[24]，改善的程度取決于練習(xí)量、重復(fù)次數(shù)以及特定任務(wù)[7]。部分康復(fù)機(jī)器人自帶驅(qū)動(dòng)，如ReWalk可以提供強(qiáng)有力的支撐作用，配合拐杖可以實(shí)現(xiàn)坐、站立、行走等。將機(jī)器人技術(shù)添加到康復(fù)干預(yù)措施中，最重要的優(yōu)勢(shì)之一是其能夠提供高強(qiáng)度和高劑量的培訓(xùn)，同時(shí)也能減輕康復(fù)治療師的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)[23]。

3 下肢康復(fù)機(jī)器人在腦癱患兒步行能力康復(fù)中的作用

近年來(lái)，下肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)CP患兒步行能力的改善作用被越來(lái)越多的臨床試驗(yàn)所證實(shí)。在康復(fù)治療過(guò)程中，應(yīng)用下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行科學(xué)合理的訓(xùn)練，可以有效幫助CP患兒改善下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)，改善各種不良步態(tài)。

3.1 改善下肢關(guān)節(jié)活動(dòng) 痙攣型是CP中最常見(jiàn)的類型。CP患兒由于長(zhǎng)期的肌肉痙攣及肌力不平衡，往往繼發(fā)不同程度的固定性畸形, 甚至骨性畸形[24]。下肢康復(fù)機(jī)器人可以在踝、膝關(guān)節(jié)處穩(wěn)定關(guān)節(jié)活動(dòng)，被動(dòng)牽伸痙攣肌肉，減輕異常肌張力，同時(shí)提供助力，改善CP患兒下肢運(yùn)動(dòng)。 Lee等[25]招募了8名雙下肢痙攣的CP患兒(足趾朝內(nèi)步態(tài))，使用踝/膝關(guān)節(jié)智能機(jī)器人伸展和新型離軸橢圓機(jī)訓(xùn)練器，執(zhí)行特定對(duì)象的伸展和樞軸離軸神經(jīng)肌肉控制訓(xùn)練程序(subject-specific stretching and pivoting off-axis neuromuscular control training，SS-POINT)進(jìn)行了為期6周的神經(jīng)肌肉控制訓(xùn)練，結(jié)果顯示訓(xùn)練后步態(tài)功能的改善和足趾朝內(nèi)角度的減小，還伴隨著膝關(guān)節(jié)僵硬度的降低以及肌張力、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、Berg平衡量表得分、本體感覺(jué)敏銳度和下肢神經(jīng)肌肉控制的改善。Lerner 等[26]基于標(biāo)準(zhǔn)的踝足矯形器(ankle foot orthosis，AFO)設(shè)計(jì)出新的外骨骼機(jī)器人，具有可調(diào)節(jié)的踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)，試驗(yàn)招募了7名粗大運(yùn)動(dòng)功能分級(jí)系統(tǒng)(gross motor function classification system，GMFCS)I-II級(jí)患兒，結(jié)果顯示該下肢機(jī)器人可改善膝關(guān)節(jié)的伸展同時(shí)又不減少骨骼肌活動(dòng)，并改善了蹲伏步態(tài)。Lerner等[27]在另一項(xiàng)試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了動(dòng)力型足踝輔助裝置，用以增加踝關(guān)節(jié)的推進(jìn)力，改善下肢姿勢(shì)并減少足底屈肌、腓腸肌的異?；顒?dòng)。Wallard 等[28]招募了30名GMFCS II級(jí)的8～10歲的CP患兒，試驗(yàn)組16名使用Lokomat兒童版(最早適用于4歲)進(jìn)行4周訓(xùn)練，對(duì)照組僅進(jìn)行治療師指導(dǎo)進(jìn)行的物理治療或作業(yè)治療，結(jié)果顯示試驗(yàn)組與對(duì)照組相比，紅外線掃描下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，步行速度、步長(zhǎng)以及步態(tài)對(duì)稱性顯著改善，粗大運(yùn)動(dòng)功能測(cè)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(dòng)態(tài)姿勢(shì)平衡得到控制。

3.2 改善步態(tài) CP患兒存在馬蹄內(nèi)翻足步態(tài)、偏癱步態(tài)、蹲伏步態(tài)等異常步態(tài)[29-30]。下肢康復(fù)機(jī)器人可以提供程序量化訓(xùn)練，通過(guò)各種傳感器進(jìn)行反饋，實(shí)時(shí)糾正步態(tài)偏差。Wu 等[31]招募了23名GMFCS I-IV級(jí)的4～16歲CP患兒，試驗(yàn)組11人使用三維電纜驅(qū)動(dòng)機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練系統(tǒng)(three-dimensional cable-driven robotic gait training system，3DCaLT)進(jìn)行為期6周的訓(xùn)練，結(jié)果顯示試驗(yàn)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(jí)的5～12歲CP患兒，試驗(yàn)組12人使用Innowalk Pro進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)訓(xùn)練(robot assisted gait training，RAGT)3個(gè)月，干預(yù)后顯示痙攣側(cè)與非痙攣側(cè)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(xiàn)顯著改善。Wallard等[33]在另一個(gè)試驗(yàn)中招募了30名GMFCS II級(jí)的8～10歲CP患兒，試驗(yàn)組接受Lokomat治療4周，并且使用紅外照相機(jī)記錄三維的全身運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)用于進(jìn)行步態(tài)分析，結(jié)果顯示上半身如頭部穩(wěn)定性、上臂擺動(dòng)、軀干控制顯著改善，有利于控制身體平衡。Lefmann 等[34]報(bào)道了466名GMFCS多數(shù)為I～I(xiàn)V級(jí)的5～17歲CP患兒，穿戴Lokomat或Gait Trainer GT I下肢康復(fù)機(jī)器人，結(jié)果顯示RAGT有益于改善步態(tài)，包括速度、站立能力和步行距離。Van等[35]提供的一些數(shù)據(jù)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(guān)結(jié)局指標(biāo)方面。

4 腦癱下肢康復(fù)機(jī)器人存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)為康復(fù)治療提供了創(chuàng)新的手段，將康復(fù)事業(yè)的發(fā)展推到了智能化、機(jī)械化的全新高度。目前下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)較為成熟，針對(duì)CP患兒的機(jī)器人種類繁多，但也存在以下問(wèn)題：①設(shè)備笨重[11-19](約14kg及以上)，不便于患兒穿戴；②驅(qū)動(dòng)的體積、效率、耐用性均欠佳[9]；③人機(jī)接觸面易出現(xiàn)摩擦傷、過(guò)敏紅斑等[36]；④受限于電池電量[11-19](約1～2h)，步行時(shí)間短；⑤價(jià)格昂貴；⑥使用環(huán)境受限[36]。此外，目前尚無(wú)系統(tǒng)指標(biāo)和具體治療方案來(lái)評(píng)估和指導(dǎo)患兒使用下肢康復(fù)機(jī)器人[37-38]。國(guó)內(nèi)專家在積極研發(fā)各種新型下肢康復(fù)機(jī)器人，期待該領(lǐng)域有望產(chǎn)生更多突破性進(jìn)展，生產(chǎn)出更加輕便、性價(jià)比高、智能的下肢康復(fù)機(jī)器人，為CP患兒提供更好的服務(wù)。同時(shí)也期待康復(fù)醫(yī)療工作者早日制定科學(xué)有效的、統(tǒng)一的下肢康復(fù)機(jī)器人評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和治療方案。

5 小結(jié)

下肢康復(fù)機(jī)器人越來(lái)越廣泛應(yīng)用于CP患兒的康復(fù)治療中。大量臨床證據(jù)顯示，對(duì)于CP患兒而言，下肢康復(fù)機(jī)器人能夠科學(xué)有效且安全的改善其步行能力，繼而提高生活質(zhì)量，促其更好地融入社會(huì)?？梢灶A(yù)測(cè)，隨著下肢康復(fù)機(jī)器人功能完善、性能和可靠性的提高，在不久的未來(lái)，下肢康復(fù)機(jī)器人將會(huì)被更廣泛地應(yīng)用于CP等兒童疾病的康復(fù)治療。