上肢康复机器人在脑卒中肢体功能障碍患者中的应用进展

胡佳惠, 于 淼, 李梦楠, 王艳华, 王 洋

(长春中医药大学护理学院, 吉林 长春, 130117)

脑卒中是最常见的一种脑血管疾病，具有起病突然、发病率高、致残率高、复发率高、死亡率高等特点[1]。虽然医疗水平的提高能够帮助卒中患者得到及时有效的治疗，但依然有大约70%～80%的患者会出现卒中后功能障碍，其中以上肢功能障碍最为多见，对患者的身心健康健康及日常活动带来了严重影响[2]。因此，卒中后上肢功能障碍患者的康复治疗一直都备受关注。临床医师和众多学者也对此进行了很多的探索和尝试，其中上肢康复机器人的诞生开辟了康复领域的新途径[3-4]。其基于神经可塑性原理和功能重塑机制，将机械学、康复医学、传感技术、控制工程等多学科进行充分融合，提高了康复效率，减轻了临床工作人员的压力，节约了医疗保健的成本，成为康复领域的研究热点[5]。本文将从上肢康复机器人的类型、临床价值及影响因素、疗效评价工具等方面 进行总结归纳，并对上肢康复机器人的未来发展进行展望。

1 上肢康复机器人的类型

1.1 上肢康复训练机器人

最具代表性的就是美国麻省理工学院发明的上肢康复机器人系统MIT-MANUS。MIT-MANUS通过对运动参数的客观反馈以及对运动过程的视觉反馈，为康复治疗师和患者提供了客观的参考指标，提高了临床疗效，实现了卒中患者手臂、肩、肘关节的功能康复[6]。随后美国麻省理工学院又对系统进行了进一步研究，最终形成了3种训练模式：平面模式、手腕模式、手部模式。平面模式包括2个自由度，可以在去除重力的情况下帮助患者完成手臂的平面运动；手腕模式具有3个旋转自由度，可以帮助患者进行手腕关节的活动；手部模式具有1个自由度，可以帮助患者进行手掌的抓握锻炼。MIT-MANUS不但可以提供客观的训练反馈，而且安全性、稳定性和适应性相对较高，临床应用效果良好。

1.2 功能性电刺激辅助上肢康复机器人

功能性电刺激(FES)属于神经肌肉电刺激范畴。其利用低频脉冲电流刺激受影响的肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动，以此来改善或恢复受影响的肌肉或肌肉群的功能[7]。目前我国具有代表性的FES辅助上肢康复机器人为涂细凯[8]设计的可穿戴的五自由度上肢康复机器人RUPERT。RUPERT采用人工气动肌肉驱动。通过FES刺激受影响的肌肉，使之与气动肌肉形成关节对拉，从而完成上肢的伸展运动。并借助阵列电极完成手部的抓握和释放运动。RUPERT将FES与外骨骼机器人有机结合，形成了较为轻便的、集上肢伸展和手部抓握为一体的康复系统。

1.3 基于虚拟现实技术的上肢康复训练机器人

虽然传统的上肢康复机器人可以为患者提供高强度、高重复性的康复训练，但是单一、无趣的训练过程易使患者感到乏味，从而对治疗产生抵触性。而虚拟现实(VR)技术实现了对虚拟环境的创建。VR技术与上肢康复机器人结合还可通过人机交互和虚拟对象间的交互技术对虚拟环境进行及时调整。在康复过程中将虚拟环境设置为日常生活场景，并且根据患者的实际康复情况进行不同场景切换，不但可以激发患者的康复兴趣，强化患者参与训练的体验感还能有效提高患者的日常生活能力。基于VR技术的上肢康复机器人在国外出现较早，但我国在此方面的研究也取得了很大进展。如张金龙[9]研制的基于VR技术的手指康复系统；柯福全[10]研制的基于视频捕捉的VR肢体康复系统；梁明等[11]研制的模拟厨房训练系统；瞿畅等[12]研制的基于Kinect的上肢康复训练系统；陈泽等[13]研制的3自由度主动式的VR上肢康复机器人等。

1.4 基于表面肌电信号的上肢康复训练机器人

表面肌电信号(SEMG)是由中枢神经控制的、能够反应肌肉收缩的生理电信号。将SEMG与上肢康复机器人相结合进行康复运动，其运动开展基于患者的运动意图，可在一定程度上反映出患者运动的主观能动性，提高患者康复的积极性，树立康复信心[14]。目前张宇星[15]已经研制出了基于SEMG的7自由度上肢外骨骼机器人。该机器人的出现改善了以往康复机器人中存在的运动意图识别差的缺点，并且满足了患者在上肢运动中对所有主要自由度的训练需求，具有灵活度高、舒适度高、准确性高等优点。

1.5 基于BCI上肢康复训练机器人

脑机接口(BCI)可以将从大脑获得的信息传递至接口，再将控制信号发送给机器人系统，引导机器人做出相应的反馈。BCI的成功研制有望实现人脑与外界的直接沟通[16]。利用BCI上肢康复机器人进行康复训练，即使患者的神经肌肉系统处于瘫痪状态，只要思维正常仍能自主控制机器人。2007年时，周鹏[17]将BCI和FES相结合，实现了手部抓握动作的恢复。2011年，徐宝国等[18]通过让患者观看三维动画诱导其产生运动想象，再利用提取的脑电信号控制机器人按患者的主观意图提供康复训练，同时给予患者视觉反馈，以此来促进运动神经功能恢复。目前，基于运动想象的BCI康复技术在临床中运用较广，并且将多种技术融合以提高康复疗效也成为新的发展趋势。

2 上肢康复机器人的临床价值及影响因素

2.1 上肢康复机器人的临床价值

传统的康复治疗主要依靠治疗师提供康复训练，康复效果受治疗师的操作手法、评价标准、训练处方等多种因素影响，并且整个过程中无法获得及时、有效、客观的反馈，无法对治疗效果进行直观评价[19]。康复治疗多在医院和康复机构进行，患者往往需要前往指定场所才能接受治疗，而且患者数量远远超过康复治疗师的匹配人数。这不仅增加了患者及其家属的负担，也不利于医疗资源的最大化利用[20]。与传统康复形式相比，上肢康复机器人具有效率高、无疲劳、个性化等优点，能为患者提供高强度、高重复、精准化的运动训练，提高训练效果；为治疗师提供及时的数据反馈，为制定和调整康复方案提供客观的参考依据[21]。一些机器人还将虚拟技术应用到训练中，在增加训练乐趣的同时，还可为患者提供多感官刺激。这不仅有利于提高患者康复训练的积极性和康复训练的有效性，而且大大减轻了医务人员的工作压力，优化了医疗资源的利用。

2.2 影响上肢康复机器人疗效的因素

2.2.1 训练处方： 训练处方由训练时间、训练强度和训练方法三部分组成。不同训练时间所产生的康复效果也不同。Lo等[22]在对127名卒中后上肢功能障碍患者进行了为期36周的康复试验发现，在接受机器人辅助康复治疗的第12周时患者的运动功能并没有得到显著的改善，而第36周时患者在提高运动能力和运动任务方面效果显著。Sale等[23]在对上肢康复机器人短期与长期疗效观察中发现，在同一年内重复接受康复治疗可有效提高患者的上臂运动能力，且康复疗效可持续6个月以上。Meimoun等[24]表示偏瘫患者运动指令神经的恢复需要借助刺激和引导中枢神经系统可塑性的双重作用，包括损伤诱导的可塑性和行为诱导的可塑性。其中体能训练的强度是培养行为诱导可塑性的首要条件。Hsieh等[25]在研究中发现高强度上肢康复机器人组在提高患者运动功能、双侧能力、肌力、日常活动能力等方面均优于低强度上肢康复机器人组和常规上肢康复机器人组。在训练方式上，选择单侧训练或是双侧训练也会对康复疗效造成不同影响。Stoykov等[26]表示双侧和单侧训练对卒中后上肢功能障碍患者均有效，但是双侧训练对近端臂功能的改善更有利。Wu等[27]在研究中发现单侧训练在躯干代偿方面明显少于双侧训练，但是在运动功能方面却远不如双侧训练。

2.2.2 患者方面： 患者自身的病情进展情况、康复训练的努力程度、训练过程的规范程度等都会对康复疗效产生影响。多项研究[28-29]表明与慢性脑卒中患者相比，处于急性期或亚急性期的患者接受上肢康复机器人训练后康复效果更加显著。这是因为早期提供康复治疗能够有效地防止病理模式的出现，从而提高运动质量。但由于亚急性期患者自发恢复能力有限，患者大部分变化多由康复过程中的再学习所得，所以要想取得最佳的疗效往往需要更长的恢复时间[30]。随着科技的不断创新，上肢康复机器人也愈加智能化，不但能够通过患者的脑电信号为患者提供准确的动作训练，还可为患者提供多感官反馈，规范康复训练的动作，增加训练过程的趣味性，从而提高训练疗效[31]。

3 上肢康复机器人疗效评价工具

3.1 Brunnstrom运动功能评定法

Brunnstrom运动功能评定法最早出现于20世纪60年代，是一种基于异常运动模式的评价方法，属于半定量方法[32]。该评定法将肢体功能的恢复情况分为1～6期，根据每个分期出现的不同问题，治疗的重点也不同。该法为确定康复目标、制定康复计划、评估康复疗效提供了理论依据。

3.2 上田敏评定法

日本学者上田敏表示Brunnstrom运动功能评价法虽能正确的把握脑卒中偏瘫的恢复过程，判定标准也基本正确，但却存在灵敏度和准确性不足的缺点[33]。基于此缺点，上田敏在Brunnstrom评定的基础上进一步将偏瘫细分为12个等级，并对其进行标准化，使其成为一种半定量、可靠的评定方法。不过其与Brunnstrom运动功能评价法并无本质区别。

3.3 Fugl-Meyer评定量表(FMA)

该评定法是在Brunnstrom评价方法的基础上发展起来的，评定内容包括上下肢、平衡、感觉功能和关节活动度5个方面[34]。与Brunnstrom评价法相比，Fugl-Meyer评定量表更为详细，并给出了量化分值，属于定量评价方法。该方法具有良好的信度和效度，在临床上得到了广泛的应用。但其缺点是评定过程耗费时间较长，容易使患者感到疲劳。

3.4 Wolf运动功能测试评定法(WMFT)

WMFT是一种广泛应用的评估卒中后上肢功能障碍的方法。具有良好的效度、反应性和稳定性，也是评价强制运动疗法改善上肢功能的国际首选量表。它可以对关节运动、功能活动进行计时，对运动质量进行评估，从而评价患者上肢的运动能力。WMFT也属于定量评价方法，但与FMA相比可以减少评定耗时。

除了以上四种量表外，临床中常用的评价工具还包括Bobath评价量表、Ashworth痉挛评定量表等。目前上肢康复机器人也正朝着训练与评估一体化的方向发展，专家预建立完整的康复机器人量化评价体系，以便为康复治疗师提供更加客观的参数信息，为患者提供更加准确的训练方案。目前白敬等[35]设计的基于空间测量的康复训练评估系统，还实现了无医师监督的居家康复训练与评估一体化流程。

4 小结

世界卫生组织数据显示我国脑卒中发病率居世界第一，因脑卒中所导致的致残率可高达70%～80%。而减少致残发生的关键措施就是为卒中患者提供早期的康复治疗[36]。但事实上我国需接受康复治疗的患者数量远高于康复治疗师的目标匹配人数，这就导致部分患者无法接受及时有效的康复治疗，从而错过最佳的康复时机。近年来，上肢康复机器人的出现使持久性、精确化的康复训练模式得以实现。其具有人工康复无法替代的优势，在提高康复效率的同时，也大大减轻了康复治疗师的工作量。并且随着科技的不断创新，康复机器人与其他技术相融合也成为一种新的发展趋势。鉴于我国康复治疗需求较大，上肢康复机器人在我国的发展前景应是一片光明。但就目前来说，上肢康复机器人还存在以下问题，有待进一步改进：①柔性方面：与人工康复相比，机器人毕竟是康复设备。如患者在康复训练中出现异常动作，那么康复机器人将无法很好地进行应对。主动柔性和被动柔性不佳可能会对患者的安全造成潜在威胁。②安全性方面：目前我国对上肢康复机器人的研究还处于初期阶段。由于设备昂贵、成本较高，限制了大规模临床研究的开展。虽然已有研究表明，上肢康复机器人具有显著的康复疗效，但由于缺乏大数据支撑，患者在应用过程中仍存有顾虑，其安全性有待进一步研究和论证。③便捷性方面：部分机器人体积过大，患者无法携带也不方便进行居家训练。而小巧轻便型的康复机器人可以使康复训练走进家庭，方便患者日常使用，显然更具有实用性。④智能性方面：由于疾病所带来的困扰，卒中后功能障碍患者普遍会产生自卑、抑郁等心理问题。虽然大多数机器人已经可以做到为患者提供多感官反馈，但却不具备同理心和人文关怀能力，无法为患者提供情感支持。相信随着科学技术的发展，未来的机器人会变得愈加人性化和智能化，发展成为“有温度”的机器人。