基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢機(jī)器人多任務(wù)步態(tài)訓(xùn)練平臺(tái)在早期偏癱患者中的應(yīng)用

馬良飛 何蓬莉 曾西西 王蕊 尹翎

0 引言

隨著現(xiàn)代人類(lèi)生活方式的改變，心腦血管病的發(fā)病率在逐漸上升。其中，腦卒中作為一種突發(fā)腦血管意外，已然成為全世界致死和致殘率最高的疾病之一[1-2]。相關(guān)文獻(xiàn)估計(jì)，在我國(guó)每年新發(fā)腦卒中的人數(shù)達(dá)到250萬(wàn)人，且還有逐年上升趨勢(shì)[3-4]。而在腦卒中患者諸多功能障礙中，下肢功能障礙是主要問(wèn)題之一，較多患者會(huì)出現(xiàn)平衡障礙以及下肢步行障礙，表現(xiàn)為站立不穩(wěn)、易跌倒以及步態(tài)異常等，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量以及社交活動(dòng)[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，約80%腦卒中患者其步行能力會(huì)受到不同程度的影響[6]，恢復(fù)下肢功能成為他們的主要訴求[7]。

現(xiàn)階段，偏癱患者常規(guī)下肢干預(yù)手段存在著見(jiàn)效較慢、效果不夠理想等弊端。而下肢康復(fù)機(jī)器人是近年來(lái)較為先進(jìn)的康復(fù)手段，其是人工智能與康復(fù)技術(shù)的結(jié)晶，通過(guò)懸吊減重，能讓患者早期直立，又通過(guò)模擬正常的步行生理周期，促進(jìn)正常步態(tài)的重建[8-9]。目前國(guó)內(nèi)外主要單純采用下肢機(jī)器人進(jìn)行干預(yù)治療。本團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期的治療過(guò)程中，認(rèn)識(shí)到下肢機(jī)器人尚有多處可優(yōu)化的地方，因此對(duì)其進(jìn)行改良，構(gòu)建出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢機(jī)器人多任務(wù)步態(tài)訓(xùn)練平臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality,VR)是近年來(lái)逐漸運(yùn)用在腦卒中康復(fù)中的一項(xiàng)新技術(shù)，其目的是通過(guò)模擬出各種各樣、現(xiàn)實(shí)生活中難以一一呈現(xiàn)的生活?yuàn)蕵?lè)場(chǎng)景，并配合相關(guān)的任務(wù)導(dǎo)向，不斷地刺激患者的中樞神經(jīng)，促進(jìn)患者大腦皮質(zhì)重塑與功能恢復(fù)?，F(xiàn)實(shí)中常采用佩戴VR眼鏡，而本研究通過(guò)裸眼3D技術(shù)，通過(guò)場(chǎng)景建模設(shè)計(jì)出各類(lèi)小游戲讓患者進(jìn)行沉浸式視聽(tīng)體驗(yàn)，比之單純的機(jī)器人訓(xùn)練更利于與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、跑臺(tái)等訓(xùn)練設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)患者與訓(xùn)練任務(wù)環(huán)境的透明交互。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2019年6月至2020年7月中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司醫(yī)院住院符合中華醫(yī)學(xué)會(huì)第四屆腦血管病會(huì)議《各類(lèi)腦血管病的診斷要點(diǎn)》中腦卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)的腦卒中偏癱患者50例，采用隨機(jī)數(shù)字表法將其分為改良組和對(duì)照組。改良組中男性15例，女性10例；年齡(63.4±5.64)歲；卒中位置左側(cè)15例，右側(cè)10例；病程(2.25±0.25)月。對(duì)照組中男性17例，女性8例；年齡(62.87±5.81)歲；偏癱部位左側(cè)16例，右側(cè)9例；病程(2.21±0.35)月。兩組患者在其年齡、性別、偏癱部位評(píng)分等相關(guān)資料上差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性。

1.2 方法

1.2.1 對(duì)照組

兩組均干預(yù)9周，對(duì)照組單純采用下肢機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練。采用Flexbot步態(tài)訓(xùn)練系統(tǒng)(生產(chǎn)企業(yè)：常州市錢(qián)璟康復(fù)股份有限公司；型號(hào)：FLEXBOT-S步態(tài)訓(xùn)練和評(píng)估系統(tǒng)-E7D46)。訓(xùn)練流程包括：(1) 早期(1～3周)采用懸吊裝置，減重狀態(tài)下對(duì)患者進(jìn)行以負(fù)重、邁步、平衡相結(jié)合的步行訓(xùn)練，促進(jìn)軀干肌、下肢肌得到鍛煉，以被動(dòng)訓(xùn)練為主，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化步態(tài)固化訓(xùn)練和有氧訓(xùn)練。(2) 中期(4～6周)進(jìn)行(0～90°)可任意調(diào)節(jié)角度的斜床訓(xùn)練、重點(diǎn)訓(xùn)練(單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式)和整體訓(xùn)練(多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式，有標(biāo)準(zhǔn)步行運(yùn)動(dòng)、自行車(chē)運(yùn)動(dòng)、下蹲運(yùn)動(dòng)、踏步運(yùn)動(dòng))結(jié)合，也可選擇開(kāi)鏈與鏈雙重運(yùn)動(dòng)模式，或者被動(dòng)訓(xùn)練、主被動(dòng)訓(xùn)練、助力訓(xùn)練和主動(dòng)訓(xùn)練相結(jié)合，增強(qiáng)肌力，鍛煉患側(cè)下肢負(fù)重能力，改善平衡狀態(tài)。(3) 后期(7～9周)進(jìn)行軀干及下肢協(xié)調(diào)訓(xùn)練，強(qiáng)調(diào)患側(cè)下肢在訓(xùn)練中的主動(dòng)性，健側(cè)下肢配合進(jìn)行訓(xùn)練； 可選擇患者最適宜運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行訓(xùn)練，如控制虛擬人物行走方向，改變虛擬人物行走場(chǎng)景等。常規(guī)治療時(shí)間每次為45 min，患者每周治療5次，連續(xù)9周。本系統(tǒng)的三期分期時(shí)間亦非嚴(yán)格固定，根據(jù)治療師評(píng)估患者的下肢功能后，可以適當(dāng)提前進(jìn)階下一期訓(xùn)練或繼續(xù)鞏固本期訓(xùn)練。

1.2.2 改良組

原有下肢機(jī)器人存在著任務(wù)單一、觀察指標(biāo)維度不夠、訓(xùn)練方案未能體現(xiàn)個(gè)體化等不足之處。改良組針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)原有下肢機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化，建立基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢機(jī)器人多任務(wù)步態(tài)訓(xùn)練平臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢機(jī)器人多任務(wù)步態(tài)訓(xùn)練平臺(tái)的硬件組成如下：① Flexbot步態(tài)訓(xùn)練系統(tǒng)(常州市錢(qián)璟康復(fù)股份有限公司，F(xiàn)LEXBOT-S步態(tài)訓(xùn)練和評(píng)估系統(tǒng)-E7D46)；② 超高清裸眼3D拼接墻(深圳市世晶聯(lián)實(shí)業(yè)有限公司，SW460PJ-01)；③ 無(wú)線(xiàn)便攜式動(dòng)態(tài)表面肌電系統(tǒng)(上海寰熙醫(yī)療有限公司， BTS PocketEMG)；④ 便攜式功能性近紅外光腦成像系統(tǒng)(荷蘭Artinis醫(yī)療公司， Brite24)；⑤ 眼動(dòng)測(cè)定儀(上海迪康公司，DEM-2000)。

其實(shí)施路徑：① 步態(tài)訓(xùn)練+虛擬現(xiàn)實(shí)：設(shè)置好3D場(chǎng)景，步態(tài)訓(xùn)練系統(tǒng)擺放在拼接墻前方，患者不再是單純的步態(tài)訓(xùn)練，而是在3D場(chǎng)景下進(jìn)行任務(wù)導(dǎo)向的步態(tài)訓(xùn)練，通過(guò)場(chǎng)景建模的各類(lèi)小游戲進(jìn)行視聽(tīng)多感官、多通道刺激和訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)患者與訓(xùn)練任務(wù)環(huán)境的透明交互。② 眼動(dòng)儀+非侵入神經(jīng)調(diào)控技術(shù)：通過(guò)3D場(chǎng)景屏幕進(jìn)行視覺(jué)刺激，并采用眼動(dòng)儀進(jìn)行追蹤。即通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)屏幕呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)刺激物→視覺(jué)刺激傳入→視覺(jué)中樞發(fā)出指令→視神經(jīng)傳出→眼球運(yùn)動(dòng)捕捉→中樞神經(jīng)系統(tǒng)整合并反饋→步態(tài)訓(xùn)練，對(duì)基于眼動(dòng)跟蹤與平衡覺(jué)神經(jīng)通路的步態(tài)訓(xùn)練技術(shù)進(jìn)行參數(shù)采集。通過(guò)反應(yīng)時(shí)間、軌跡長(zhǎng)度以及位移速率等平衡功能參數(shù)，觀察身體運(yùn)動(dòng)追蹤運(yùn)動(dòng)的視頻刺激物目標(biāo)的遲滯時(shí)間、跟蹤精度以判斷運(yùn)動(dòng)輸出通路狀態(tài)，并利用遲滯時(shí)間、精度建立自適應(yīng)模型。同時(shí)在非侵入神經(jīng)調(diào)控技術(shù)下的視覺(jué)刺激眼動(dòng)跟蹤神經(jīng)通路，測(cè)定其眼動(dòng)反饋速度，基于此速度設(shè)計(jì)難度自適應(yīng)算法。③ 可穿戴設(shè)備：融入表面肌電系統(tǒng)(surface electromyography，sEMG)+近紅外光腦成像系統(tǒng)(functional near infrared spectroscopy,fNIRS)。鑒于單純的下肢康復(fù)機(jī)器人采集相關(guān)參數(shù)有限，主要是集中在步幅、步速、步頻、步態(tài)參數(shù)變化率等參數(shù)。而融入sEMG和fNIRS后，前者能采集肌電參數(shù)，后者可以采集血紅蛋白濃度變化。動(dòng)態(tài)反應(yīng)步態(tài)訓(xùn)練時(shí)各關(guān)鍵肌的肌電積分值和腦耗氧量變化，實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)的同步監(jiān)測(cè)。④ 遠(yuǎn)程診療：最后在上述基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)程線(xiàn)上步態(tài)評(píng)估與訓(xùn)練平臺(tái)，設(shè)計(jì)多模態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上線(xiàn)下數(shù)據(jù)接入和專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)的整合。今后可將不同評(píng)估和康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備有機(jī)地集成在一起，并對(duì)醫(yī)院、社區(qū)、家庭的不同患者進(jìn)行多源異構(gòu)的評(píng)估和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的融合，建立統(tǒng)一的評(píng)估計(jì)算模型。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢機(jī)器人多任務(wù)步態(tài)訓(xùn)練平臺(tái)的構(gòu)建

1.3 觀察指標(biāo)

(1) Fugl-meyer下肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定表(Fugl-meyer assessment,FMA)：主要來(lái)評(píng)定患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能情況，共17個(gè)條目，每個(gè)條目0～2分，量表在0～34分波動(dòng)，分?jǐn)?shù)越高表示功能越好[10]。

(2) Berg平衡量表(Berg balance scale,BBS)：主要用來(lái)評(píng)估患者的平衡能力，該量表包括由坐到站、獨(dú)立站立等14個(gè)條目，每個(gè)條目0～4分，量表在0～56分波動(dòng)，總分越高表示平衡功能越好[11]。

(3) 改良Barthel指數(shù)(modified barthel index,MBI)：主要是評(píng)定患者的日常生活活動(dòng)能力(activities of daily living,ADL)，分為轉(zhuǎn)移、上下樓梯、行走、洗澡、如廁等一共10項(xiàng)，總分100分，分?jǐn)?shù)越高表示日常生活能力越高[12]。

(4) Holden步行功能分級(jí)法：評(píng)價(jià)步行能力分為0～5級(jí)，級(jí)別越高，步行能力越強(qiáng)。0級(jí)(無(wú)功能)：患者不能行走或完全依靠輪椅或需2人以上幫助； 1級(jí)(需大量持續(xù)性幫助)：患者需要使用雙拐或者1人連續(xù)不斷地?cái)v扶才能行走及保持平衡； 2級(jí)(需少量幫助)：能行走但平衡不佳，患者持續(xù)或間斷需要1人幫助平衡或協(xié)調(diào)，或需使用膝-踝-足矯形器，踝-足矯形器，單拐、手杖等以保持平衡和人保證安全；3級(jí)(需監(jiān)護(hù)或言語(yǔ)指導(dǎo))：患者能行走，但不正?；虿粔虬踩?，需一人監(jiān)護(hù)或用言語(yǔ)指導(dǎo)，無(wú)身體接觸；4級(jí)(平地上獨(dú)立):在平地上能獨(dú)立行走，但在上下斜坡、在不平的地面上行走或上下樓梯時(shí)任有困難，需他人幫助或監(jiān)護(hù)；5級(jí)(完全獨(dú)立)：在任何地方都能獨(dú)立行走。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 FMA、BBS、MBI各量表評(píng)定結(jié)果

兩組患者在治療前后進(jìn)行FMA評(píng)分、BBS評(píng)分、MBI指數(shù)評(píng)定，9周后兩組在3指標(biāo)上與治療前相比，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；而組間比較，改良組在FMA評(píng)分、BBS評(píng)分、MBI指數(shù)評(píng)分上均優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表1。

表1 兩組FMA、BBS、MBI各量表評(píng)分結(jié)果比較 (分，

2.2 Holden步行功能分級(jí)法結(jié)果

兩組患者在治療前后進(jìn)行Holden步行功能分級(jí)法，治療前兩組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。治療后9周兩組在Holden分級(jí)上與治療前相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；而組間比較，改良組優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表2。

表2 兩組Holden步行功能分級(jí)法結(jié)果比較

3 討論與結(jié)論

腦卒中后常見(jiàn)的功能障礙包括意識(shí)、運(yùn)動(dòng)、知覺(jué)、認(rèn)知、言語(yǔ)、精神情緒等[13]，其中運(yùn)動(dòng)功能障礙常常表現(xiàn)為單側(cè)肢體癱瘓，而下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙是腦卒中患者面臨的主要問(wèn)題之一。有文獻(xiàn)[14]指出即便在腦卒中后半年，仍有高達(dá)30%的患者無(wú)法獨(dú)立行走，而傳統(tǒng)步行訓(xùn)練對(duì)患者的改善有限，嚴(yán)重影響患者的功能恢復(fù)以及日常生活。

隨著科技的進(jìn)步，人工智能越來(lái)越多地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)上?？祻?fù)治療機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，為提高臨床康復(fù)效率提供了新型治療工具[15]?？祻?fù)機(jī)器人輔助步行訓(xùn)練，是目前國(guó)內(nèi)、外研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，具有廣泛的應(yīng)用前景[16-18]。下肢機(jī)器人通過(guò)模擬正常的步行生理周期，有助于促進(jìn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷患者的步行功能恢復(fù)；同時(shí)還能減輕治療師的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證訓(xùn)練過(guò)程的一致性及持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練方案及康復(fù)評(píng)估參數(shù)化，使康復(fù)療效進(jìn)一步提高。趙雅寧等[19]的研究表明，利用下肢機(jī)器人對(duì)偏癱患者予以減重狀態(tài)下步行訓(xùn)練的過(guò)程，能夠讓患者真正感受正常運(yùn)動(dòng)的模式，避免了傳統(tǒng)訓(xùn)練過(guò)程因負(fù)重、用力而誘發(fā)的異常運(yùn)動(dòng)模式或痙攣加強(qiáng)，同時(shí)可以促進(jìn)患者積極治療。在劉洋等[20]的研究中，早期對(duì)偏癱患者使用下肢步行康復(fù)機(jī)器人的療效顯著，下肢康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用將是大趨勢(shì)。

目前，下肢機(jī)器人存在著任務(wù)單一、觀察指標(biāo)維度不夠、訓(xùn)練方案未能體現(xiàn)個(gè)體化等不足之處。

本研究通過(guò)對(duì)單純的下肢機(jī)器人進(jìn)行改良和優(yōu)化，融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、眼動(dòng)/平衡訓(xùn)練技術(shù)、非侵入神經(jīng)調(diào)控技術(shù)、可穿戴設(shè)備(表面肌電圖+近紅外光腦成像)、遠(yuǎn)程診療等硬軟件，建立起一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的下肢機(jī)器人多任務(wù)步態(tài)訓(xùn)練平臺(tái)。首先，虛擬環(huán)境中康復(fù)機(jī)器人，能形成視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)多感官的刺激模式，增加感覺(jué)輸入，重塑神經(jīng)功能。其次，可穿戴數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了采集設(shè)備的小型化、可穿戴化，增加了步態(tài)訓(xùn)練時(shí)的觀察指標(biāo)采集維度，從而提高專(zhuān)科病例臨床步態(tài)模型的特異性。而根據(jù)步態(tài)參數(shù)、眼動(dòng)參數(shù)、肌電參數(shù)、血紅蛋白濃度等多指標(biāo)的同步監(jiān)測(cè)，可建立個(gè)性化的步態(tài)模型。最后，利用遠(yuǎn)程診療系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立評(píng)估和康復(fù)訓(xùn)練之間的定性、定量關(guān)系，設(shè)計(jì)基于規(guī)則的訓(xùn)練處方專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)評(píng)估、智能步態(tài)訓(xùn)練處方個(gè)性化推薦、步態(tài)訓(xùn)練規(guī)程在線(xiàn)優(yōu)化。基于本項(xiàng)目所研究的新型步態(tài)評(píng)估范式，通過(guò)多模態(tài)同步任務(wù)，建立肌電肌力、血氧、步態(tài)分析、行為特征間的耦合關(guān)系；進(jìn)而對(duì)之進(jìn)行優(yōu)選高敏感性相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建高準(zhǔn)確性的特征組合。在上述優(yōu)選的基礎(chǔ)上，從感知覺(jué)(眼動(dòng)平衡)檢測(cè)出發(fā)到執(zhí)行控制(虛擬+步態(tài)雙任務(wù))開(kāi)展自適應(yīng)篩查檢測(cè)，提高每個(gè)患者訓(xùn)練方案敏感性，構(gòu)建適用于醫(yī)院、社區(qū)、家庭的多模態(tài)步態(tài)訓(xùn)練模型，確定個(gè)體化步態(tài)訓(xùn)練靶點(diǎn)。本研究最終可實(shí)現(xiàn)具有自適應(yīng)功能、可調(diào)整、優(yōu)化、可更新訓(xùn)練方案的智能技術(shù)，提高干預(yù)療效。