上肢康復機器人在腦卒中后運動功能障礙中應(yīng)用研究進展

何友澤 宋健 吳勁松

(福建中醫(yī)藥大學，福建 福州 350122)

近年來，腦卒中發(fā)病率呈高增長態(tài)勢，腦卒中致殘率居高不下，已成為影響國計民生的重大公共衛(wèi)生問題〔1〕。腦卒中發(fā)生后約80%的患者出現(xiàn)上肢運動功能障礙，且4年后仍有50%的患者持續(xù)存在上肢功能問題〔2〕。腦卒中后的上肢功能障礙嚴重地影響患者的日常生活、學習、工作等方面，很大程度上降低了患者的生活質(zhì)量。

機器人輔助技術(shù)是近年來腦卒中后患者上肢功能康復的研究熱點。由于傳統(tǒng)的上肢功能康復方法如運動再學習、神經(jīng)發(fā)育治療、本體感覺神經(jīng)肌肉促進技術(shù)等〔3〕，存在費時、耗力，療效受治療師水平限制等不足，難以滿足現(xiàn)有的康復需求〔4〕。機器人輔助技術(shù)的興起和新技術(shù)的應(yīng)用為腦卒中后偏癱患者的上肢功能康復提供了新的方式，可以彌補傳統(tǒng)康復方法的缺陷。

1 上肢康復機器人在腦卒中后運動功能障礙中的應(yīng)用

1.1常規(guī)上肢康復機器人 上肢康復機器人是通過機械輔助帶動患者進行重復的上肢活動訓練，以促進患者上肢功能恢復的一種醫(yī)療機器人。機器人輔助訓練包含了運動學習的關(guān)鍵要素，可為偏癱患者提供交互式、可量化、高重復的訓練方案〔5〕。研究表明，上肢康復機器人訓練可改善腦卒中患者的上肢運動功能〔5,6〕。Bertani等〔7〕的Meta分析納入了14項隨機對照研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)康復訓練相比，上肢康復機器人訓練對于上肢運動功能的恢復更加有效，特別是針對慢性腦卒中患者。同時也發(fā)現(xiàn)高重復、以任務(wù)為導向的機器人輔助訓練有助于大腦損傷的恢復，并促進大腦運動皮層的重組。Susanto等〔8〕將機器人輔助技術(shù)應(yīng)用于腦卒中患者手指靈巧性的康復訓練，其研究結(jié)果表明與常規(guī)手部康復訓練相比，持續(xù)20次1 h的機器人輔助手指運動訓練對于患者手部靈巧性及抓握、二指捏和三指捏動作的改善效果更佳，訓練效果可維持6個月，且6個月后仍有44%～67%的患者功能改善超過了臨床評分的最小臨床意義變化值。然而，由于傳統(tǒng)的上肢康復機器人訓練形式較為單一，大多僅進行簡單的重復訓練，患者在訓練過程中感覺缺乏趣味性，難以調(diào)動其訓練積極性，從而限制了其臨床療效。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)、肌電反饋、運動想象(MI)等新技術(shù)的應(yīng)用，上肢康復機器人的訓練形式與訓練內(nèi)容得到進一步擴充，為腦卒中后運動功能障礙的康復提供了更多選擇。

1.2基于VR技術(shù)的上肢康復機器人 基于VR技術(shù)的上肢康復機器人是通過上肢康復機器人帶動患肢，并在模擬日常生活的環(huán)境下，進行上肢功能訓練的康復設(shè)備。

VR技術(shù)可以給予患者實時逼真的視覺、聽覺及觸覺反饋，為患者創(chuàng)建更加豐富、安全的訓練場景〔9〕，并可激勵其重復地訓練，從而提高其訓練效果。Grimm等〔10〕利用外骨骼機器人的輔助，讓患者在激勵式的虛擬環(huán)境中進行以任務(wù)為導向的伸手抓握訓練，要求患者根據(jù)虛擬環(huán)境提供的反饋信息相應(yīng)地調(diào)整上肢動作。持續(xù)4 w共20次的訓練干預(yù)使患者肩、肘和腕關(guān)節(jié)的運動準確性、運動范圍和運動協(xié)調(diào)性均得到顯著改善。陳澤等〔11〕研發(fā)的三自由度主動式上肢康復機器人，通過3D漫游等虛擬環(huán)境實現(xiàn)沉浸式體驗，同時上肢機器人可通過引導能力較弱或不能完成自主運動的患者進行主動運動，促進患者主動參與。Patel等〔12〕認為針對發(fā)病時間小于1個月的腦卒中患者，連續(xù)8次在每天3 h常規(guī)訓練基礎(chǔ)上增加1 h的基于VR模擬工作場景的機器人輔助任務(wù)訓練，可更有效地改善患者的上肢運動功能評分(FMA)和腕關(guān)節(jié)主動關(guān)節(jié)活動度。

VR訓練的作用機制可能是通過增加多感官反饋和對運動表現(xiàn)的認識來刺激大腦皮層的重組，激活了患者對側(cè)的初級感覺運動皮質(zhì)、雙側(cè)輔助運動區(qū)和同側(cè)的小腦，同時消除運動前區(qū)和輔助運動區(qū)的異常激活〔13～15〕，從而提高了上肢功能。

基于VR技術(shù)的上肢康復機器人實現(xiàn)了多感官綜合干預(yù)治療的效果，為患者創(chuàng)造各種日常生活活動場景，并通過視、聽、觸覺的反饋帶來身臨其境的虛擬生活與訓練體驗，從而有助于腦卒中后上肢運動和感覺功能的恢復〔9〕。但目前VR機器人用于康復評估與訓練的精準性需要更多研究來證明，因此發(fā)展智能化的VR機器人進行腦卒中患者的診療和提高機器人評估與訓練的準確性仍是未來的研究重點。

1.3基于肌電反饋的上肢康復機器人 腦卒中后上肢運動功能障礙的患者常有部分殘存肌力，其可引起肌電信號的改變〔16〕，但卻無法支持其完成實際運動〔17〕?；诩‰姺答伒纳现祻蜋C器人正是通過采集患者上肢肌群的肌電信號，來識別患者的運動意圖，并通過結(jié)合電刺激和機器人輔助技術(shù)，帶動患者進行主動訓練，完成訓練任務(wù)〔18〕。

通過肌電反饋機器人的輔助訓練可以有效地改善腦卒中患者上肢運動功能〔19,20〕和肌肉協(xié)調(diào)性〔21〕。Makowski等〔16〕的研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合功能性電刺激的肌電反饋上肢康復機器人可改善腦卒中后患者的肩、肘關(guān)節(jié)功能，并指出通過機器人的輔助可有效減少患者肩關(guān)節(jié)外展所需的力量，從而間接地減少偏癱側(cè)上肢異常協(xié)同模式的發(fā)生。Qian等〔22〕將結(jié)合低頻電刺激的肌電反饋機器人用于慢性腦卒中患者上肢不同關(guān)節(jié)的康復訓練，發(fā)現(xiàn)其對上肢遠端腕、指關(guān)節(jié)運動功能的恢復效果明顯優(yōu)于近端關(guān)節(jié)，并可有效地緩解腕、手指部肌肉痙攣，持續(xù)5 w共20次的訓練，其效果維持可超過3個月。

利用健側(cè)上肢的肌電信號來誘導患側(cè)上肢的運動是肌電反饋訓練的新方案。Leonardis等〔23〕提出一種肌電驅(qū)動的手部外骨骼機器人，通過采取健側(cè)手的肌電信號，驅(qū)動機器人帶動偏癱手的抓握訓練，患者可改變健側(cè)上肢的抓握力量來調(diào)節(jié)機器人輔助力量。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于肌電信號反饋的機器人輔助訓練方案也逐漸智能化。Burns等〔24〕研發(fā)的肌電驅(qū)動上肢康復機器人利用機器學習的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來自動學習三個雙向控制命令相對應(yīng)的肌肉激活模式，實現(xiàn)了肌電信號閾值的自適應(yīng)調(diào)整，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以休息——任務(wù)訓練交替的方式積累訓練數(shù)據(jù)。該設(shè)備可通過健側(cè)上肢的肩部、肘部、腕部的肌電信號反饋分別控制患側(cè)拇指、食指和其余三指來完成手部打開和抓握動作，其動作成功率可達91.7%。機器人設(shè)備的智能化將使訓練方案的選擇和調(diào)整更加準確、簡單，因此自適應(yīng)的智能化機器人設(shè)備研發(fā)及臨床應(yīng)用可能是未來研究的一大熱點。

肌電驅(qū)動的上肢機器人通過檢測肌電信號可以提高訓練的精確性，為患者提供合適的輔助力量，同時促進患者主動參與訓練。但目前個體肌電信號的差異及不同操作導致電極片的位置差異均可能對訓練產(chǎn)生干擾〔17〕，因此未來的研究可能從個體肌電信號差異與機器人輔助訓練療效的相關(guān)性入手。

1.4基于MI-腦機接口技術(shù)(MI-BCI)的上肢康復機器人 基于MI-BCI的上肢康復機器人是近年來上肢康復機器人發(fā)展的一大熱點。MI是對指定動作進行重復的想象，實際上不需要進行任何動作〔25〕。MI對腦卒中患者的認知功能要求較高，且缺乏有效的監(jiān)督和反饋方式〔26〕。而BCI通過采集腦電信號來監(jiān)測運動想象過程，可對MI調(diào)節(jié)的腦功能進行實時定量監(jiān)測〔27〕。研究表明MI與BCI結(jié)合對腦卒中后運動功能障礙具有顯著的改善作用〔25,27〕，而MI、BCI和上肢機器人的結(jié)合對比單純上肢機器人訓練能取得更好的訓練效果。

Ang等〔28〕將MI-BCI控制的肩肘機器人訓練與單純肩肘機器人訓練對于中重度腦卒中患者偏癱上肢的療效進行對比，經(jīng)過4 w的干預(yù)，兩組治療效果相當。但12 w訓練干預(yù)后MI-BCI組有63.6%的患者上肢運動功能得到改善，而單純機器人訓練組只有35.7%的患者得到改善。Ang等〔29〕的另一項研究認為MI-BCI機器人對于慢性腦卒中患者偏癱側(cè)上肢腕、手部控制能力具有良好的訓練效果。持續(xù)18次60 min的MI-BCI機器人訓練可提高患者抓握釋放動作的運動表現(xiàn)，其訓練效果可持續(xù)24 w。Frolov等〔30〕的研究發(fā)現(xiàn)通過10次的MI-BCI機器人訓練可改善患者的握力和捏力，而普通機器人訓練則無此效果。并且MI-BCI組患者的手臂動作調(diào)查測試表(ARAT)和FMA評分的最小臨床意義變化值分別是普通機器人訓練組的4.3倍和2.3倍。因此認為MI-BCI組對于腦卒中患者的最小治療獲益優(yōu)于普通的機器人訓練。

通過MI、BCI、上肢康復機器人三種技術(shù)的結(jié)合，患者獲得了更優(yōu)的訓練效果。功能性磁共振成像(fMRI)研究顯示其作用機制可能是MI通過大腦內(nèi)在功能連接的重組，尤其是與MI、學習有關(guān)的同側(cè)大腦區(qū)域，來促進運動功能的恢復〔25〕。其具體的機制也需要未來的研究進一步探索。

雖然腦電信號可在一定程度上反映大腦的活動狀態(tài)，但由于腦電信號強度和特異性較低，易受肌電信號干擾等原因〔17〕，導致腦電反饋的準確性和穩(wěn)定性不佳，因此更需要未來的技術(shù)和研究來確保腦電信號的精確檢測。

1.5基于遠程技術(shù)的上肢康復機器人 互聯(lián)網(wǎng)遠程技術(shù)與康復機器人的融合，為腦卒中患者的家庭——社區(qū)康復提供了新的方式，康復治療師通過互聯(lián)網(wǎng)遠程操控機器人，可依據(jù)患者的功能狀態(tài)，制定個性化的康復訓練方案。

基于遠程技術(shù)的上肢康復機器人可用于腦卒中后康復訓練，也為運動功能的評估提供新工具。Linder等〔31〕的研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)8 w應(yīng)用基于家庭訓練的遠程康復機器人輔助訓練可有效改善腦卒中患者(發(fā)病時間小于6個月)的抑郁狀態(tài)和生活質(zhì)量。治療師通過互聯(lián)網(wǎng)修改訓練方案，并遠程監(jiān)督患者進行每周5次，每次2 h的機器輔助上肢訓練和1 h常規(guī)家庭康復訓練。8 w后抑郁評分(CES-D)大于16分的患者數(shù)量減少了13.4%。其原因可能是治療師定期的隨訪和交流，增加了患者的社交渠道，從而有助于減少腦卒中后抑郁的發(fā)生。Baur等〔32〕提出一種機器人輔助遠程康復系統(tǒng)，通過兩個上肢機器人設(shè)備實現(xiàn)治療師和患者之間遠距離的觸覺交互。治療師可通過自身手臂的機器人感受患者手臂運動的局限性，識別患者上肢的異常運動模式，同時在點對點任務(wù)中，可獲取關(guān)節(jié)位置，關(guān)節(jié)間運動協(xié)調(diào)性、準確性及流暢性。目前此機器人評估可作為治療師評估的一種補充，但并非替代方式。未來的研究可能通過大數(shù)據(jù)和人工智能(AI)提取關(guān)鍵運動參數(shù)，使遠程機器人評估更加準確，成為一種獨立的評估工具。

遠程康復技術(shù)輔助訓練的模式可以消除地域空間上的阻礙，解決患者出院后康復難的問題。但目前需要患者家中配有訓練設(shè)備，從而增加了康復成本，同時對患者或照顧者的知識水平要求較高，需要熟練操作才能與治療師進行交流。因此，未來的研究也需要機器人設(shè)備更加智能化和家庭化，讓遠程機器人真正進入社區(qū)，進入家庭，為患者提供更加便捷和優(yōu)質(zhì)的康復服務(wù)。

2 上肢康復機器人在腦卒中后繼發(fā)功能障礙中的應(yīng)用

上肢機器人除了能直接改善腦卒中引起的上肢運動障礙外，對其繼發(fā)的多種功能障礙，如肩關(guān)節(jié)半脫位、肩痛、肌痙攣等〔33〕，也具有良好的預(yù)防和改善作用。

肩關(guān)節(jié)半脫位、肩痛是腦卒中后常見的并發(fā)癥，半脫位主要是由肩部周圍肌肉無力引起，而肩痛主要由肩關(guān)節(jié)的僵硬或半脫位導致〔34〕。肩痛的發(fā)生不僅影響腦卒中后康復訓練〔35〕，同時也嚴重地影響了患者的生活質(zhì)量〔36〕。Kim等〔37〕的研究利用肩部輔助訓練機器人治療亞急性腦卒中患者的肩痛問題。其結(jié)果顯示相比于常規(guī)康復訓練組，連續(xù)20次30 min機器人輔助可更加顯著地改善肩關(guān)節(jié)被動關(guān)節(jié)活動度和主觀疼痛程度，且其訓練效果可維持4 w。孫麗等〔38〕認為機器人輔助結(jié)合上肢常規(guī)康復訓練可以治療腦卒中后肩關(guān)節(jié)半脫位。機器人的輔助使患者的上肢處于減重狀態(tài)，使半脫位的肩關(guān)節(jié)回到復位狀態(tài)，在此狀態(tài)下進行訓練可以預(yù)防并減輕肩痛，肘關(guān)節(jié)也可穩(wěn)定地進行拮抗肌的往復運動，并且肩胛骨充分前伸可以預(yù)防肩關(guān)節(jié)攣縮和肩痛的形成。

痙攣在腦卒中后第一年的發(fā)生率為25%～43%，痙攣的發(fā)生可導致肌肉短縮、關(guān)節(jié)攣縮和姿勢異常等，嚴重地影響了患者的穿衣、洗漱等日?；顒樱诮档突颊呱钯|(zhì)量的同時，加重了照顧者負擔〔33,39〕。Gobbo等〔40〕利用機器人輔助訓練針對首次發(fā)病的腦卒中患者進行20 min的手部被動運動訓練，訓練后患者腕、手指部位的改良Ashworth評分顯著減少，痙攣有所改善，且患者主訴腕、手部的沉重感和僵硬感明顯減輕，其中存在上肢疼痛患者中有三分之二自述手部疼痛減輕，同時近紅外光譜檢查顯示患側(cè)上肢的前臂血流灌注發(fā)生明顯改善。Lee等〔41〕表明上肢康復機器人通過拉伸肩、肘部的痙攣肌和促進拮抗肌的收縮可以緩解腦卒中后患者上肢屈肌痙攣并改善上肢關(guān)節(jié)活動度。但在相同干預(yù)時間下，機器人輔助訓練因其訓練的高重復性，對痙攣具有更好的緩解作用。機器人輔助下的上肢運動訓練能有效地緩解屈肌痙攣和僵硬的問題，同時患者上肢功能狀態(tài)的恢復也有利于患者進行主動訓練。

綜上，上肢機器人輔助訓練結(jié)合不同技術(shù)的綜合干預(yù)方法因訓練側(cè)重點不同，具有不同的訓練優(yōu)勢。在腦卒中患者中應(yīng)用機器人輔助訓練可以改善其上肢運動功能、上肢肌力、日常生活活動能力和生活質(zhì)量〔42〕，同時機器人設(shè)備的訓練反饋和新穎性也有助于提高患者的訓練動機和參與度。