人工智能應(yīng)用于腦卒中患者下肢功能障礙的研究進(jìn)展

張萌琦, 楊繼鵬， 魏文彤綜述， 劉璟瑩審校

腦卒中(cerebral stroke，CS)又稱為中風(fēng)，是一種由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞而引起腦組織損傷的疾病。目前，腦卒中發(fā)病率逐年升高，發(fā)病平均年齡逐年降低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，腦卒中病死率可達(dá)10%～30%，致殘率則高達(dá)60%～70%。腦卒中患者往往表現(xiàn)出肢體功能障礙，尤以步行障礙和偏癱多見。肢體運(yùn)動(dòng)障礙尤其是下肢運(yùn)動(dòng)障礙對(duì)患者的生活質(zhì)量以及患者家屬的心理狀態(tài)影響較大[1]。

隨著科技發(fā)展，人工智能應(yīng)運(yùn)而生，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。人工智能(artificial intelligence,AI)通常是指模擬人類智能的一種計(jì)算機(jī)技術(shù)[2]。腦卒中后下肢功能障礙的恢復(fù)一般由治療師指導(dǎo)完成，操作復(fù)雜、效率低并且消耗大量人力物力。人工智能的應(yīng)用更易于患者下肢功能的康復(fù)，療效更佳且節(jié)省人力物力[3]。目前臨床上應(yīng)用人工智能于腦卒中患者下肢功能的康復(fù)擁有廣泛前景[4]。

1 人工智能應(yīng)用于腦卒中下肢功能障礙的歷史發(fā)展

目前，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的下肢功能康復(fù)機(jī)器人許多應(yīng)用人工智能技術(shù)，以求更好的診斷、治療和康復(fù)效果。腦卒中患者由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損、肌張力下降和下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)受限等，使患者出現(xiàn)站立時(shí)間變短、難以保持平衡等非正常運(yùn)動(dòng)模式。下肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，20世紀(jì)80年代是下肢機(jī)器人的萌芽階段，美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家最先將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，90年代后期，下肢康復(fù)機(jī)器人被許多發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛接受并不斷發(fā)展。21世紀(jì)以來(lái)，下肢康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于醫(yī)院以及社區(qū)等地，并因?yàn)槠涓咝?、?jiǎn)便性等特點(diǎn)被普通大眾所廣泛接受并不斷擴(kuò)大其應(yīng)用面，促進(jìn)其與人工智能結(jié)合的研究進(jìn)展。下肢康復(fù)機(jī)器人可以為患者提供一定支撐力，減少腦卒中后下肢功能障礙患者腿部壓力，并且發(fā)揮患者腿部剩余功能，即“助其自助”。

2 應(yīng)用于腦卒中下肢功能障礙人工智能的分類

導(dǎo)致患者發(fā)生腦卒中的因素很復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及建模很難做出患病預(yù)測(cè)，隨著科技進(jìn)步，AI應(yīng)運(yùn)而生并且日臻完善，可納入更多樣本量和數(shù)據(jù)，為構(gòu)建更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型打好基礎(chǔ)。

2.1 下肢輔助步行康復(fù)機(jī)器人 羅玲華等[5]利用Breg平衡量表對(duì)腦卒中患者平衡能力進(jìn)行評(píng)定；利用Holden功能性步級(jí)分級(jí)法對(duì)腦卒中患者步行能力進(jìn)行評(píng)定，并利用常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練(對(duì)照組)與在常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練基礎(chǔ)上采用下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練(觀察組)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論：觀察組Breg平衡量表和Holden功能性步級(jí)分級(jí)法的評(píng)分改善程度明顯優(yōu)于對(duì)照組。證明基于下肢康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練，可以顯著提高腦卒中患者的平衡能力，促進(jìn)患者下肢功能的康復(fù)，同時(shí)使患者伸膝肌群力、屈髖肌群力顯著提高，有助于患者正常步態(tài)模式的形成。

下肢輔助步行康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用于腦卒中患者下肢功能康復(fù)的便捷和有效是有目共睹的，但目前它的應(yīng)用仍存在不足，如何克服機(jī)器人的機(jī)械性、增強(qiáng)其靈活變通性是目前所面臨的最大問題。

2.2 下肢外骨骼輔助步行機(jī)器人 下肢外骨骼機(jī)器人Lokomat由減重系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)式步態(tài)矯形器、平行四邊形機(jī)構(gòu)成[6]。它將患者身體作為支撐點(diǎn)用機(jī)械腿帶動(dòng)患者完成大量且重復(fù)的常規(guī)步態(tài)訓(xùn)練，讓患者在康復(fù)訓(xùn)練初期即建立正確的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣與方式，為今后正常行走發(fā)揮重要作用。據(jù)研究表明，人腦具有可塑性，大腦可塑性指人腦通過重組其結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系來(lái)適應(yīng)變化和環(huán)境刺激的能力[7]。因此，給予一定程度的刺激和反復(fù)重復(fù)訓(xùn)練可以促進(jìn)大腦皮質(zhì)的重新形成，幫助患者重新接納正確的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣和方式。據(jù)Boonstra研究表明[8]腦卒中患者在Lokomat引導(dǎo)下行走時(shí)，肌肉的振幅較低，故相比常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練更適合用于腦卒中后下肢功能患者的康復(fù)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用下肢外骨骼機(jī)器人的腦卒中患者相較常規(guī)治療的患者，肌力恢復(fù)快，康復(fù)進(jìn)程加快，效率高，從而可以盡快提高患者生活質(zhì)量。

外骨骼機(jī)器人不僅可以為腦卒中患者提供步行體驗(yàn)，還可以讓患者決定以何種方式移動(dòng)、在哪里移動(dòng)、何時(shí)移動(dòng)以及如何與周圍環(huán)境進(jìn)行交流互動(dòng)。由患者決定移動(dòng)的姿勢(shì)和直立的探索空間的能力[9]。但是Lokomat下肢外骨骼機(jī)器人易忽略患者踝關(guān)節(jié)的參數(shù)設(shè)置和踝部肌肉用力反饋情況，可能會(huì)影響部分踝關(guān)節(jié)存在問題的腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練，足下垂助行儀的出現(xiàn)解決了此特殊問題。說(shuō)明各種應(yīng)用于醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域機(jī)器人之間可以互通有無(wú)以求更有效地為人類醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域服務(wù)，而如何將其結(jié)合應(yīng)用是我們目前面臨的一個(gè)新型問題。

2.3 骨盆輔助步行康復(fù)機(jī)器人 人體骨盆不僅可以支撐軀干，還可以為下肢的驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和平衡發(fā)揮重要作用[10]。骨盆的有效訓(xùn)練，可以提高患者下肢肌力的恢復(fù)從而促進(jìn)其對(duì)下肢的控制能力，有利于患者平衡功能和日常生活能力的恢復(fù)[11]。

國(guó)外研究學(xué)者認(rèn)為骨盆運(yùn)動(dòng)的控制是步態(tài)的基本決定因素之一。骨盆輔助步行機(jī)器人充分調(diào)動(dòng)全身肌肉和關(guān)節(jié)，主要對(duì)患者骨盆和下肢進(jìn)行適宜程度的康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到良好的康復(fù)效果，從而形成更自然的步行步態(tài)。通過機(jī)器人“柔性控制”可使患者通過穩(wěn)定軀體、有效地骨盆移動(dòng)等完成正確而完整的步態(tài)，調(diào)動(dòng)患者的軀體積極性和主觀能動(dòng)性，對(duì)改善神經(jīng)控制力和提高運(yùn)動(dòng)控制能力也發(fā)揮重要作用[12]。胡淑珍[13]等利用對(duì)照組患者進(jìn)行常規(guī)藥物治療及康復(fù)訓(xùn)練,觀察組患者在上述干預(yù)基礎(chǔ)上輔以骨盆輔助式康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論：常規(guī)康復(fù)干預(yù)基礎(chǔ)上輔以骨盆輔助式康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練,能進(jìn)一步提高腦卒中下肢功能障礙患者骨盆控制能力,改善步行功能及平衡能力,從而促進(jìn)患者下肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。

目前哪種機(jī)器人對(duì)于腦卒中患者下肢功能的康復(fù)更有意義，還有待確定，這是目前應(yīng)用骨盆輔助步行康復(fù)機(jī)器人所面臨的問題。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)聯(lián)合康復(fù)機(jī)器人 虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng);它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該真實(shí)環(huán)境中去。胡靖然等[14]認(rèn)為：VR能為腦卒中患者在康復(fù)治療過程中提供身臨其境的環(huán)境體驗(yàn)，提高患者的積極性與主動(dòng)性，對(duì)下肢功能及平衡能力的改善有促進(jìn)作用。VR被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括疾病預(yù)防培訓(xùn)、疾病診斷、康復(fù)訓(xùn)練等方面，尤其在康復(fù)醫(yī)學(xué)中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景[15]。

Bergmann J等[16]采用增強(qiáng)型VR結(jié)合下肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)步行功能的功能性步行能力量表分級(jí)≤2級(jí)的亞急性腦卒中患者進(jìn)行步態(tài)功能訓(xùn)練4 w后得出結(jié)論如下：較常規(guī)訓(xùn)練，結(jié)合VR和下肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練更易被患者接受和練習(xí)，訓(xùn)練后腦卒中患者步行能力的恢復(fù)速度加快，下肢功能障礙明顯改善。國(guó)外研究數(shù)據(jù)顯示，VR對(duì)于改善腦卒中患者步態(tài)方面極其有效，也可以明顯改善腦卒中患者的平衡功能[17]。VR技術(shù)結(jié)合下肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練改善腦卒中患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙已經(jīng)成為當(dāng)下醫(yī)學(xué)康復(fù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。

雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)聯(lián)合康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)存在巨大潛力，但我們應(yīng)清楚地認(rèn)識(shí)到智能康復(fù)只是常規(guī)康復(fù)的輔助形式，常規(guī)康復(fù)的主流地位不應(yīng)被遺忘[18]。

2.5 自適應(yīng)平衡康復(fù)訓(xùn)練裝置 自適應(yīng)平衡訓(xùn)練，是指根據(jù)檢測(cè)評(píng)價(jià)，系統(tǒng)根據(jù)所獲得的患者平衡狀態(tài)指標(biāo)，自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整提供合適輔助支持，隨狀態(tài)變化調(diào)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練難度，獲得最佳康復(fù)效果。

機(jī)械臂是當(dāng)前人工智能技術(shù)的一種應(yīng)用，屬于服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域，它的應(yīng)用主要是一些工廠，代替人類完成一些高難度、高精度的工作。崔向紅等人研發(fā)的自適應(yīng)平衡康復(fù)訓(xùn)練裝置通過聲音和動(dòng)畫指示，調(diào)節(jié)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)、踏板阻力和穩(wěn)定性和患者睜閉眼等來(lái)完成腦卒中患者的靜態(tài)平衡訓(xùn)練、自動(dòng)態(tài)平衡訓(xùn)練和他動(dòng)態(tài)平衡訓(xùn)練[19]。通過重復(fù)練習(xí)，幫助腦卒中患者恢復(fù)其平衡能力。

自適應(yīng)平衡康復(fù)訓(xùn)練裝置聯(lián)合應(yīng)用多媒體技術(shù)，設(shè)立聲音、動(dòng)畫提示、攝像及激光定位裝置，有助于患者精準(zhǔn)完成康復(fù)訓(xùn)練。在不同程度的康復(fù)情況下，患者可以選擇不同模式的訓(xùn)練裝置，循序漸進(jìn)的提高訓(xùn)練難度以求最好的康復(fù)效果[20]。

3 應(yīng)用人工智能對(duì)腦卒中患者下肢功能康復(fù)的優(yōu)缺點(diǎn)

患者可以身臨其境，在虛擬狀態(tài)下形成的步態(tài)習(xí)慣、訓(xùn)練體驗(yàn)感等都更加真實(shí)，通過形成三維動(dòng)態(tài)視景，可以提供受試者各種感官模擬，進(jìn)行可視化操作和互動(dòng)[21]。AI訓(xùn)練的突出特點(diǎn)是環(huán)境安全性強(qiáng)，它可以通過精確的計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸智能地確定具體康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃，讓患者康復(fù)過程既高效又安全。AI可以輕松達(dá)到反復(fù)訓(xùn)練的效果，同一場(chǎng)景模式下進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，以求更有效的康復(fù)效果,也可以根據(jù)患者不同的康復(fù)階段采取不同的康復(fù)訓(xùn)練模式，以求最適應(yīng)患者的康復(fù)進(jìn)程。AI記錄和傳輸數(shù)據(jù)的速度是治療師難以達(dá)到的，它可以輕松記錄傳輸數(shù)據(jù)，讓醫(yī)生及時(shí)有效地同步患者康復(fù)信息，及時(shí)調(diào)整治療方案。

AI與下肢康復(fù)機(jī)器人的聯(lián)合應(yīng)用目前處于萌芽階段，虛擬環(huán)境設(shè)備建設(shè)成本高，故在醫(yī)院和社區(qū)中的普及率很低，難以大規(guī)模投入醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用中[22]。AI屬于高端前沿技術(shù)，它的突破和發(fā)展十分困難，這也是AI難以普及的原因之一，普及率低又直接造成自愿受試者少、樣本數(shù)量低，缺乏樣本數(shù)量和隨訪調(diào)查的研究很難有說(shuō)服力，也難以證明其有效性[23]。

此外我認(rèn)為，在大部分患者的認(rèn)知里，真人醫(yī)生比VR和下肢康復(fù)機(jī)器人的聯(lián)合應(yīng)用更有親和力，這從側(cè)面反映了社會(huì)文化發(fā)展與科技發(fā)展相輔相成的關(guān)系，提高國(guó)民文化水平可以一定程度上促進(jìn)大家接納高新技術(shù)，從而促進(jìn)科技的持續(xù)發(fā)展。還需注意的一點(diǎn)是：大多數(shù)臨床疾病都是動(dòng)態(tài)的，不同患者的表現(xiàn)和康復(fù)進(jìn)程不同，為了使每一位患者獲得最佳的治療效果，我們須根據(jù)每個(gè)患者的病程采取個(gè)性化的治療策略[24]。

4 小結(jié)與未來(lái)展望

綜上所述，人工智能對(duì)于腦卒中致下肢功能障礙患者的康復(fù)是有效的。不僅為患者提供了一種新型且高效的康復(fù)治療模式，而且充分做到了醫(yī)學(xué)發(fā)展與科技發(fā)展相結(jié)合的良性循環(huán)過程。同時(shí)人工智能應(yīng)用于腦卒中致下肢功能障礙患者的康復(fù)也面臨著挑戰(zhàn)，人腦的精細(xì)程度是電腦難以比擬的，人腦的思維也絕非計(jì)算和發(fā)出指令等機(jī)械步驟，它的機(jī)械性以及可能面對(duì)的倫理問題是目前所面臨的最大問題。機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存，從20世紀(jì)80年代下肢機(jī)器人的面世，到如今VR與機(jī)器人聯(lián)合應(yīng)用等，社會(huì)在發(fā)展，科技在進(jìn)步，相信隨著我們的不斷探索，問題終會(huì)被解決，人工智能也將為醫(yī)療事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。

綜上，建議：(1)在今后的研究中，應(yīng)依據(jù)我國(guó)國(guó)情以及經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展水平，建立人工智能廣泛應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的模式，使普通民眾更易接受；同時(shí)發(fā)揮人工智能技術(shù)的最大用處為人類健康服務(wù);(2)發(fā)揮人腦主觀能動(dòng)性，不可過分依賴人工智能技術(shù)，若人工智能廣泛應(yīng)用于臨床腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練中，治療師仍應(yīng)該適時(shí)做出訓(xùn)練計(jì)劃調(diào)整，而非過分依賴人工智能計(jì)算的結(jié)果和訓(xùn)練模式，以免錯(cuò)過對(duì)患者最有效的治療計(jì)劃，即做到治療師和人工智能的有機(jī)有效結(jié)合;(3)做好相關(guān)宣教，使此項(xiàng)技術(shù)更容易被普通民眾所接受，更好地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域，從而推動(dòng)出現(xiàn)醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域和科技同步進(jìn)步的雙贏畫面。