康复机器人在神经与运动损伤应用的共性探讨

余红阳，方凡夫，石萍，喻洪流

1. 上海理工大学医疗器械与食品学院(上海，200093)2. 海军军医大学附属长海医院康复医学科(上海，200433)

0 引言

神经系统损伤或疾病引起的神经性疾病占全球疾病负担的6.3%，而神经系统疾病导致的死亡人数占全球近12%，其中脑血管疾病(中风)占整个神经系统疾病残疾调整生命负担的一半以上，成为了世界上第二大死亡原因和成人残疾的主要原因[1-2]。神经损伤导致的主要是中枢神经系统的损伤，使得身体对骨骼和肌肉无法形成良好的控制，患者出现肢体运动障碍，间接地造成了人的行为能力丧失。其它神经系统疾病如脊髓损伤、多发性硬化症、帕金森、创伤性脑损伤等都会对人的运动能力造成不同程度下降，进而影响人的生活质量。神经损伤患者治疗后需要进行不断的康复训练，重新建立神经连接，以达到重新控制肢体的目的。

保持积极的生活方式是当代一个主要的公共健康问题。因此，促进体育参与对当代社会至关重要。矛盾之处在于，一方面，体育运动的参与通过有充分证明的定期体育锻炼的益处来改善健康。另一方面，参加体育运动也增加了不良后果的风险，如运动损伤。运动损伤是在体育运动过程中造成的身体损伤， 在身体条件没有充分准备好的情况下进行体育锻炼容易发生运动损伤[3]。运动损伤不仅发生于运动中，在日常的锻炼、健身活动中都是比较常见的，运动损伤的患者主要属于身体结构性损伤比如肌肉、关节、骨骼、组织等。运动损伤康复的主要目标是在伤害前的身体和情绪水平上的恢复，并防止再次受伤[4]。

1 神经与运动损伤康复的非机器人辅助治疗

神经与运动损伤的康复需求在不断扩大，而两者的不同需求对康复治疗方法也产生了不同的要求。常规神经康复手段有肌电生物反馈、重复任务导向训练、约束诱导运动疗法、镜像疗法、经颅刺激与运动想象疗法等。常见的运动损伤康复方法有物理疗法、运动疗法、作业疗法再辅以手法治疗、肌力训练、关节活动度训练、器械辅助训练、中医治疗与言语矫治等。

在神经与运动损伤初期，医生往往根据患者的实际情况来选择一些康复方法或者仪器。

肌电生物反馈治疗能够很好地改善关节活动度，提高肢体运动能力，比普通的作业治疗更有效[5-6]。重复任务导向性训练的主要目的是引导患者主动完成功能性任务训练，反复的训练能够影响中枢神经系统的适应性，重塑新的神经网络，训练强调主动性、可控制性、功能性以及重复性。约束诱导运动疗法(CIMT)需要患者的肢体受损较轻，能够集中、强制、大量地使用患肢，训练内容不仅局限于实验室项目，而且还包括实际生活活动[7]。镜像疗法是运动想象疗法之一，其原理是通过视觉观察未受损的身体部位传递到大脑进而影响到患侧[8]，其机理主要是基于镜像神经元系统的“动作观察——执行匹配机制”[9]，利用“镜盒”装置提供的视觉反馈让患者产生同时控制两侧肢体的错觉，让患者能够重塑患侧肢体的神经元以达到重新控制肢体的目的。经颅刺激技术分为经颅直流电刺激(tDCS)和重复经颅磁刺激(rTMS)，这两项技术在中风、帕金森症、癫痫、抑郁症、脊髓损伤等临床治疗上也都有一定程度的应用。经颅直流电技术通过低强度电流调节运动皮质内突触强度来改变神经元活动[10-11]，经颅磁刺激通过高低频双向调节大脑皮层兴奋性变化产生兴奋或抑制效果[12]。不同的是，tDCS不直接诱导神经元放电，而是通过调节神经元膜电位极性来调节大脑皮层兴奋性变化[13]。已有的研究发现两项技术对于中风患者的吞咽、痉挛、肢体运动能力都存在积极影响[14-16]。目前来看，两种技术的安全性都得到了一定保障，是非侵入式治疗或康复的重要工具之一。

常见的运动损伤治疗主要利用一些物理疗法如光疗、电疗、超声波疗法磁疗、水疗、热疗、冷疗等，再辅以一定程度上的手法治疗，对患者的肌肉、关节、软组织疼痛起到缓解或者改善的功效。

从非机器人治疗的表现形式和治疗手段上来看神经和运动损伤康复有所不同： 神经康复偏重于锻炼患者的主动运动意识，通过刺激神经系统来重塑患者的运动功能； 运动损伤康复偏重于缓解患者的疼痛，改善关节活动度，避免肌肉萎缩。但是很多方法对于两者是可以通用的，只是在手法、强度等上有所区别。例如PNF技术不仅适用于运动损伤康复[17]，在中风康复中的应用也极为广泛，其能够促进患者对肌肉的控制能力 ，提高生活活动能力[18]。另一方面，神经与运动损伤康复都在不同程度上利用了物理因子： 在治疗运动损伤患者过程中，多数是将物理因子直接作用于运动损伤患者表层，由表及内； 而神经损伤患者主要通过一些外部装置、刺激来诱导患者进行神经性康复，多数由内及外。

2 神经与运动损伤康复的机器人辅助治疗

随着科学水平的进步，人工智能时代的到来，机器人辅助进行康复治疗成为了一项解决患者运动功能康复的途径之一。其实早在20世纪60年代，外骨骼设备的出现就已经为康复机器人的发展奠定了基础，在进入80年代后，康复机器人逐步进入了康复医学领域。根据神经可塑性和运动学习的原理，在康复过程中引入了机器人装置，因为它们可以最大化来自周围关节的输入，并且为中枢神经系统提供特定任务刺激以促进功能恢复。神经与运动损伤患者需要持续不断的医疗护理和强化康复，通常需要与治疗师进行一对一的手法治疗，而机器人设备具有长期提供治疗的潜力，而与治疗师的技术和疲劳无关。将机器人设备纳入神经与运动损伤患者的康复治疗中可以减轻物理康复的劳动密集，降低成本，还可以客观地量化患者的输出和结果(例如： 力量改善、协调、运动时间)[18]。

机器人设备在上肢康复中的应用被认为是从20世纪90年代早期开始的，由于上肢的分类标准较多，本文以训练模式对上肢康复机器人进行分类，如图1所示。

图1 上肢康复训练机器人分类Fig.1 Classification of upper limb rehabilitation training robots

按照功能用途分类有： 踏板式康复机器人和外骨骼康复机器人。踏板式康复机器人利用双侧脚踏板牵引患者足部模拟步行动作，从而带动下肢其他关节随动，通过控制脚踏板的运动姿态和规律实现不同的步态训练效果； 外骨骼式康复机器人主要在可穿戴的基础上加强患者负载能力以及辅助患者进行运动，对患者步行能力以及步态的康复上有很大的帮助。从训练模式来看，患者主动、被动或者主被动结合的训练方式是比较普遍的，神经与运动损伤患者往往需要根据自身情况选择不同机器人以及不同训练模式对患肢进行训练。Lokomat是具有生理步态模式训练功能的下肢康复机器人，在一项观察经过机器人被动辅助训练后偏瘫患者运动能力的实验中证明，使用Lokomat能够改善患者的步行能力，而在治疗师和Lokomat同时辅助训练后能力改善更为明显[20]。在一项主被动双侧治疗作为脑卒中患者的康复启动机制实验中发现，主被动结合的双侧训练模式能够在较大幅度上改善患者上肢功能[21]。从训练模式来看由于运动损伤患者具备一定的肢体残余运动能力康复过程中多采用主动训练模式； 而神经损伤患者在前期对肢体不能形成有效的控制多采用被动训练模式，由机器人带动患者进行运动。而当运动或神经损伤患者的肢体恢复到一定水平后，采取主被动结合的训练模式能使患者更加主动地参与到康复训练中来，对于改善肢体运动能力的效果也更加明显。

重复任务导向性训练在神经和运动损伤康复治疗过程被频繁使用，而对于两类患者来说带有目的性的训练可能比单纯的主被动重复训练更加有效。French, Thomas等[22-24]发现，重复性功能训练对下肢产生功能性增益，高强度重复性任务训练可能是促进中风后运动恢复最有效的原则[25]。运动损伤的异质性、运动损伤的数量和上下肢运动损伤的复杂性使得治疗师的工作变得繁琐及复杂，而不断的重复任务导向训练就涉及到康复治疗师手法的强度频率以及患者所能承受的疼痛极限。机器人的出现能够提供给患者持续的、高强度的、高质量的训练，同时将治疗师从重复训练动作中解放出来，能够为更多患者提供治疗。目前临床上能够提供重复任务导向性训练的器械有很多，从简单的关节恢复器(CPM)到智能康复机器人。简单的CPM能够提高关节活动度，避免肌肉萎缩，肌腱和韧带粘连，频繁被用于关节以及上肢运动损伤的康复。法国Kinetec的Centura Shoulder CPM设备是一种常见重复性功能训练设备，其单个自由度致动模块固定在座椅或支架上能够提供单自由度连续的被动运动。CPM在临床中主要应用于关节恢复以及简单的运动损伤患者，而在一项对照实验中，作者将CPM应用于脑卒中偏瘫患者的康复治疗中，发现CPM改善患者上肢功能有着积极作用[26]。Armeo-Power(AP)是现在商业化的一款非穿戴外骨骼支撑式的上肢康复机器人，具有全自由度被动与主动训练模式结合的康复训练方式，它使用了简单但引人入胜的游戏来提高患者的参与度。在一项针对AP的实验中，经过为期8周，每周5次，每次1小时的重复任务导向性训练后患者受影响的大脑半球皮质可塑性增强[27]。而在另一项针对中风患者PT和OT训练重复次数的实验中发现，患者具有任务导向性的重复训练比单纯的被动与主动训练对于肢体运动能力的改善更为明显[28]。

两类损伤患者对机器人的安全性、稳定性有着十分严苛的要求，由于人体关节的复杂程度以及患者肢体不同程度的损伤，机器人硬件较复杂、质量较大，在人机结合训练时的稳定性与安全性是所有设计者都必须考虑的问题。人体关节的瞬时旋转中心随关节运动而变化，因此和人体解剖学的正确对齐显得十分关键。此外，确保机器人能够快速响应，力和功率能够长距离传输，尽可能小的减少关节之间的相互作用以避免轨迹偏移[29]。在解放治疗师的同时，它的复杂性也决定了需要在他人的监督下进行使用，不同病患的肢体参数需要不断进行调节。医生和患者希望机器人能够按照事先规定的轨迹进行移动，能够在智能的同时平稳安全的运行，完成训练任务。

好的治疗方法能够在辅助患者的同时减轻康复人员的工作量，非机器人辅助治疗目前仍作为康复手段的主流，神经与运动损伤在受伤机理上的不同决定了两者在治疗时有所偏重。但是，有着共同目的决定了两者在一些方法上只需要改变强度、剂量、频率，对患者一样促进效果，对于治疗师来说能够更好地利用现有设备对两者进行康复治疗。

3 现有康复机器人存在的问题以及未来展望

机器人康复无疑正在经历一个快速增长的时期，然而目前大部分设计的康复机器人主要目的是为了治疗中风损伤、脊髓损伤等神经性疾病，而实际上在康复治疗中对于运动损伤康复训练机器人的需求也是很迫切的。然而，现有的一些康复机器人在功能增加的同时，价格、体积、重量也相应增加，大多数患者并不具备购买与配置康复机器人的客观条件，因此将康复机器人应用到每一个患者的康复阶段的条件还不成熟。现有一些研究证明了机器人辅助治疗的一些优点，但是并没有明确的证据能够证明机器人治疗完全可替代治疗师的工作。

在不久的将来或许具备运动康复与神经康复复合功能的康复机器人将会被更广泛地运用于临床治疗。针对运动损伤康复机器人可以将其设计重点放在骨骼、关节活动度、肌肉力量恢复上； 而针对神经康复机器人可继续着重于神经重塑理论，加强患者主动运动的意识。随着科技发展，具有高安全性、多训练模式结合、训练方法一体的多功能康复机器人将会成为康复治疗的新方向。