外骨骼下肢康复机器人在脑卒中康复中的应用进展①

李宏伟，张韬，冯垚娟，林海丹，白定群

外骨骼下肢康复机器人在脑卒中康复中的应用进展①

李宏伟，张韬，冯垚娟，林海丹，白定群

外骨骼下肢康复机器人根据其辅助步行训练的特点可分为基于平板训练的机器人和平地行走训练机器人。这两类外骨骼下肢康复机器人均在亚急性期和慢性期脑卒中患者康复中得到应用，对脑卒中患者步态、平衡功能的改善，以及下肢运动功能恢复有一定临床意义。

脑卒中；外骨骼下肢康复机器人；运动功能；康复；综述

[本文著录格式]李宏伟，张韬，冯垚娟，等.外骨骼下肢康复机器人在脑卒中康复中的应用进展[J].中国康复理论与实践, 2017,23(7)：788-791.

CITED AS：Li HW,Zhang T,Feng YJ,et al.Application of exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot in stroke rehabilitation (review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(7)：788-791.

脑卒中患者大都伴有不同程度下肢运动障碍，即使经过适当的康复治疗，也有30%～40%患者存在限制性或丧失步行能力[1]。步行功能受限不仅严重影响患者日常生活活动及心理状态，也增加其家庭乃至社会的负担[2]。传统的神经促进技术以及步行训练能够一定程度改善运动功能，但这种依靠治疗师一对一徒手治疗，难以达到精准重复、有针对性的早期高强度训练目标。日益发展的医疗技术不仅能大大提高脑卒中患者的存活率，还为其康复提供了更先进的技术保障[3]。外骨骼下肢康复机器人是近年发展较快的一项新技术，它不仅支持力量较弱的患者进行早期减重状态下模拟正常步态行走，提供个性化的步行训练方案，改善下肢运动功能障碍，还能减轻治疗师负担，节约社会资源[4]。

1 分类

外骨骼下肢康复机器人根据其辅助步行训练的特点可分为两大类：基于平板训练的机器人(treadmill-based exoskeleton robot)和平地行走训练机器人(over-ground exoskeleton robot)[5]。

1.1 基于平板训练的机器人

1.1.1 系统组成

Lokomat是世界上第一台将运动平板与外骨骼机械腿相结合的减重步行训练机器人[6]。该型训练机器人主要由悬吊减重支持系统、下肢外骨骼步态矫正器和跑台及其控制系统组成。其中步态矫正器的两条机械腿包含有动力驱动装置和敏感的传感器件。使用时，将机械腿与人体下肢绑定，通过机械腿模拟正常步态，带动双腿进行协调摆动，完成步行训练。此类机器人还包括ALEX(University of Delaware,USA)、LOPES(University of Twente,Netherlands)等[7]。

1.1.2 训练特点

每条外骨骼机械腿由2个电机驱动，电机带动丝杠螺母转动，推动机械腿摆动，完成髋关节与膝关节4个自由度的运动[8-9]。髋、膝关节能以系统软件设置的参数进行精准步态训练，也可根据患者本身的运动功能水平进行主、被动训练。

安装在腿部的传感器能对驱动力矩、关节角度等信息进行测量，并实时反馈到控制系统，以在线进行训练状态评估与引导，设置个性化的训练方案。其虚拟现实的设计不仅能给予视觉刺激，更能增加训练的趣味性及参与性，达到更好的效果。

1.1.3 适应症

近年来，以Lokomat为代表的基于平板训练的康复机器人在临床应用上得到广泛应用，其适应症包括脑卒中、脊髓损伤、脑瘫、多发性硬化症和帕金森病等具有下肢运动功能障碍的患者。在使用过程中，机械腿的受力会被实时侦测，当受到一定阻力时，机器人为了保护患者安全，会终止步行任务，所以下肢肌张力较高以及认知功能较差的患者在训练中易造成机械臂停止工作，需慎用。

1.2 平地行走训练机器人

1.2.1 系统组成

Ekso(Ekso Bionics,USA)是极具代表性的一款平地行走训练机器人。该种机器人由外骨骼穿戴装置和专用拐杖构成。整合在背包里面的液压缸和电池为机器人提供动力，专用拐杖上不仅有控制按钮，还能维持训练者平衡。

其他平地行走训练机器人还包括Rewalk(Rewalk Robotics, Israel)、Indego(ParkerHannifin,USA)、HAL(Cybernics)等。

1.2.2 训练特点

平地行走训练机器人是针对不能行走的患者研发的一项新技术，相对于基于平板训练的机器人，可移动性是其最大特点。患者穿戴上外骨骼，整合在背包里的动力装置驱动下肢完成从坐到站、从站到坐和行走等转移动作，同时可借助手杖等辅助器具维持身体平衡和控制动作[7]。患者能够通过它完成有目标针对性的功能缺损训练，如从坐到站训练。同时这些可移动设备还能辅助患者日常生活活动，改善生活质量。由于辅助行走不借用运动平板和减重系统，以真实路面作为训练场所，能为患者提供更复杂的训练环境和视觉反馈，利于功能恢复。

1.2.3 适应症

平地行走训练机器人最早用于辅助完全性脊髓损伤患者进行步行[10]。由于训练场景的真实性和可移动性等特点，近年也被用于脑卒中患者康复的研究及临床实践中[11]。此类机器人进行行走训练时，患者需要主动参与，使腿进入摆动期；由于没有悬吊减重装置辅助，对使用者的躯干控制能力和平衡功能提出更高要求，认知和平衡协调功能较差的患者需谨慎使用。

1.3 对步行训练的影响

患侧肢体重复进行大量正常运动模式训练，可扩大支配该肢体运动的皮质区域，增强神经传递效率，有利于建立正常运动程序，提高神经可塑性[12]。传统康复通过康复评估，制定符合患者病情的运动及功能训练方案，有针对性的运动训练对神经末梢及肌肉活性产生刺激，促进神经系统恢复[13]。这种方法依靠康复治疗师的体力，训练强度有限，难以实现大量重复的精准训练。

运用减重平板训练(body weight-supported treadmill training,BWSTT)也难达到预期的要求。虽然BWSTT能让患者在减重状态下进行步态周期重复训练，但需要治疗师徒手辅助患肢进行模拟摆动，有时甚至需要另一名治疗师辅助稳定躯干。

为了解决康复过程中的这些问题，实现高强度、针对性、可重复且以任务为导向的训练，同时减轻治疗师繁重的体力劳动，外骨骼下肢康复机器人应运而生。康复机器人辅助疗法不仅能解放治疗师劳动力，还能实现患者早期步行训练，提供高强度、重复性的精准运动控制；根据实时数据反馈，发挥患者最大主动性；通过输入定量运动刺激、实时训练监测与评估，为患者提供更为科学的训练计划[14]。平地行走训练机器人更能让患者在真实环境中训练，为患者提供更为丰富的视觉空间刺激。

2 亚急性期应用

早期偏瘫患者站立平衡、下肢力量及运动控制等较差，缺乏行走能力。下肢康复机器人不仅能辅助患者尽早站立，还能提供反复的正常步态刺激，帮助患者恢复。国内外将此类机器人应用于亚急性期偏瘫患者的研究也逐渐增多。

2.1 基于平板训练的机器人

一项前瞻性随机对照试验证明[15]，机器人结合传统步态训练对早期卧床偏瘫患者步行功能的改善有积极意义。多个研究证明，机器人结合传统康复疗法能明显促进患者步行能力恢复[16-18]。机器人辅助行走训练也能提高患者静、动态平衡功能[19]。一项随机对照研究显示，机器人辅助训练后，患者峰值摄氧量存在有意义的改变，提示步行训练机器人有潜在提高患者心肺功能的作用[20]。

一项为期4周的机器人步行训练研究结果发现，Berg平衡量表评分高于9分和病程短与步行能力提高高度相关[21]。另有研究显示，没有疼痛、视觉空间理解能力和沟通交流能力高的早期偏瘫患者，更能实现积极的训练效果[22]。

2.2 平地行走训练机器人

一项研究对8例亚急性期偏瘫患者进行机器人训练，治疗后患者步行速度和功能性步行能力有明显提高[23]。另外两项研究也发现机器人训练对亚急性患者的步行速度提高有积极效果[24-25]。一项研究对比机器人辅助步行训练与传统训练的疗效，经过4周训练，两组在步行速度及步行耐力方面无显著性差异，但实验组功能性步行能力显著改善[26]。

在脑卒中后的前6周，患者功能恢复最快[27]。两种类型机器人在早期偏瘫患者中展现出的积极治疗效果也反映出这一点。现有较多对基于平板训练机器人的研究，对偏瘫患者早期治疗效果也得到证实，但还需要进一步研究其治疗参数，如减重量、步行速度等对治疗效果的影响。近年有研究关注平地行走训练机器人的应用，虽有少量研究证实其效果，但还缺乏大样本随机对照试验支持。

3 慢性期应用

脑卒中患者进入慢性期后，虽然神经功能恢复减慢，但经过适当康复治疗，患者的功能活动仍能得到改善。

3.1 基于平板训练的机器人

一项个案研究报道，慢性偏瘫患者接受为期6周的机器人训练后，行走耐力、速度和步行能力都有明显改善；表面肌电图检查发现股内侧肌运动单元活动明显提高[28]。其他研究者不仅发现机器人训练能够改善慢性期偏瘫患者步行能力，还对患者的平衡功能甚至平衡信心有积极影响[29-30]。配合机器人的主动训练也有助于严重下肢功能障碍患者步行能力恢复[31]。高速机器人训练比传统的步行训练方式更能改善患者的步行能力及平衡功能[32]。将功能性电刺激与机器人训练相结合，患者步行功能及平衡能力较单独使用机器人训练有提高的趋势，但无统计学意义[33]。在机器人训练中加入功能性电刺激可提高患者的主动参与，没有副作用。

3.2 平地行走训练机器人

平地行走训练机器人在改善慢性偏瘫患者的步行功能、步行速度和步行耐力方面都有积极影响[34-36]。一项非随机对照研究显示，实验组在8周训练之后，10米步行测试(ten meter walk test,10MWT)和计时起立-行走测试(timed up and go,TUG)成绩比进行传统训练的对照组有更明显的改善[37]。但另一项单盲随机对照研究没有得到类似结果，经过6周训练，实验组6分钟步行测试(six-minute walk test,6MWT)、10MWT和TUG成绩与对照组无显著性差异[38]。

虽然一些研究肯定两类机器人都能在一定程度上改善慢性偏瘫患者的步行能力，但大部分都是低质量的个案研究，还需进一步研究证明其效果。

4 局限性及展望

外骨骼下肢康复机器人在脑卒中患者步态的纠正及步行能力恢复等方面展现出一定的治疗效果，也成为近年脑卒中康复领域的一个热点。特别是基于平板训练的外骨骼下肢机器人在临床上得到大力推广和应用。尽管如此，其应用也面临一定的局限性。

此类康复机器人只有髋、膝关节驱动，缺少对踝关节活动的精确控制，而踝关节的运动对于维持正常步行功能至关重要；其对盆骨和躯干也有较大限制，盆骨只能在垂直平面进行上下运动，缺少水平面旋转，躯干也缺乏相应的摆动，限制患者步行中的重心转移；康复机器人的辅助训练易让患者进入被动运动模式，需要治疗师在旁提醒，促进其主动参与；人机互动模式较单一，虚拟场景较少，训练者易失去新鲜感，需要更逼真、更丰富的场景增强其训练积极性。

平地行走机器人能够给予患者更真实的环境刺激，但对躯干控制能力及重心转移能力差的早期患者，可能更合适使用基于平板训练的机器人。平地行走机器人尚未大范围应用于临床，还需要更多研究验证其对于脑卒中患者的治疗效果。

未来应该进一步探索康复机器人的各项参数对患者康复的意义，为不同类型患者制定有针对性的训练处方；也应继续探讨康复机器人对中枢神经恢复的作用机制，为临床应用提供更好的理论支撑。两类机器人治疗效果的对比研究也是未来应该探讨的问题。

相信随着外骨骼下肢康复机器人技术的不断完善，对其研究的不断深入，下肢运动功能障碍的患者会得到更大的益处。

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Application of Exoskeleton-based Lower Limb Rehabilitation Robot in Stroke Rehabilitation(review)

LI Hong-wei,ZHANG Tao,FENG Yao-juan,LIN Hai-dan,BAI Ding-qun
Department of Rehabilitation,the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing 400016, China

BAI Ding-qun.E-mail：baidingqun@163.com

According to characteristics of gait-assisted training,exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot can be classified into treadmill-based exoskeleton robot and over-ground exoskeleton robot.Both kinds of exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot have been applied in stroke rehabilitation,both in subacute and chronic stages,that may do something in gait training,balance improvement and lower limb motor function recovery.

stroke;exoskeleton-based lower limb rehabilitation robot;motor function;rehabilitation;review

R743.3

A

1006-9771(2017)07-0788-04

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.07.010

重庆医科大学附属第一医院康复医学科，重庆市400016。作者简介：李宏伟(1989-)，男，汉族，重庆市人，硕士研究生，主要研究方向：神经康复及运动损伤康复等。通讯作者：白定群，男，博士，副主任医师，副教授。E-mail：baidingqun@163.com。