儿童康复机器人应用现状及发展趋势

华裕，朱敏，张跃

南京医科大学附属儿童医院，江苏南京市210008

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，已经成为康复医学领域的一个研究热点。近10年来康复机器人取得很大发展，在成人康复治疗中的应用越来越广泛，但儿童康复机器人仍处于起步阶段。本文主要针对康复机器人在儿科疾病中的应用及发展现状进行综述。

1 康复机器人的概念

康复机器人是指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人体的某些功能，从而在康复医疗过程中发挥作用。康复机器人领域的主要发展目标包括：研发方便医疗人员和患者使用的康复器械及以此为依托的技术；促进临床康复治疗效果；为患者的日常活动提供方便。作为生物医学工程的分支领域，康复机器人融合了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学、心理学以及机器人学等诸多学科，其研发目标侧重于临床实用性[1]。

2 发展背景

20世纪60年代初期出现第一台康复机器人CASE[2]，自70年代中期，对康复机器人技术的研究逐渐发展起来[3]，在过去的几十年里我们看到大量相关临床成果。机器人辅助神经康复作为一种物理疗法，通过机器人帮助患有神经系统疾病(如脑卒中、脑瘫等)的患者改善受损的肢体功能。已有康复设备的临床评估提供强有力的证据证明，在不增加经济成本[4]的前提下，相对于治疗师，通过机器人进行康复训练能获得相当甚至更好的功能改善[5]，这就是美国心脏协会建议采用机器人疗法作为脑卒中后标准治疗的原因。但大多相关研究仍局限在成年人方向，目前可用的儿童康复机器人设备稀缺，而且这些设备的临床研究也非常有限[6]，可以说在儿童方向我们才刚刚起步。但考虑到儿童的大脑比成人的大脑更具有可塑性，我们可以合理地预计，康复机器人在成人取得的效果，将在儿童身上得到更有效的体现。

“运动学习(motor learning)”是感觉运动康复的重要理论基础[7]，康复治疗方法的设计应该遵循运动学习的原则，即集体训练、认知参与及功能相关性[8]。然而，集体训练很难在儿童中实现；同样，认知参与需要一定的认知水平、注意力和配合程度，这对智力障碍或低年龄儿童而言更加困难；至于功能性相关性，我们也不能保证儿童愿意使用患肢去完成相应的训练。这些都是儿童康复需要解决的难题。虽然一些新颖的、有一定强度的运动疗法，如限制性诱导运动疗法(constraint-induced movement therapy,CIMT)，在轻度偏瘫的儿童中已取得不错的效果[9-10]，但仍需要为重度肢体障碍的儿童设计出更有效的治疗方法，因此开发儿童康复机器人设备是必然的趋势。

3 分类

儿童康复机器人可以从不同角度进行分类，按照目的可粗略地分为辅助/替代型和训练/治疗型等。按照针对躯体部位的不同可分为上肢康复机器人和下肢康复机器人。按照人机结合的作用机制，可分为外骨骼式和牵引式。按照其移动方式，可分为固定式和移动式。目前国内使用较多的主要按照躯体的部位分类，包括上肢康复机器人和下肢康复机器人。

3.1 上肢康复机器人

上肢康复机器人按作用机制可分为牵引式和外骨骼式两种。牵引式主要提供平面运动训练，此类机器人结构相对简单，易于规划轨迹和控制。外骨骼式将康复训练范围从平面拓展到立体空间，可灵活完成三维空间内多个方向的上肢运动，对肩、肘、腕关节进行全方位运动训练。应用上肢康复机器人进行康复训练，可让患儿实时看到自己上肢的位置，帮助患儿恢复本体感觉；还可针对患儿不同的能力进行评估，如主动参与程度、动作平滑程度、主/被动关节活动度、目标追踪准确性等，帮助患儿掌握简单的生活技能，比如饮水、进食等[11-14]。娄欣霞等[15]的研究表明，上肢康复机器人辅助治疗能大大提高脑瘫患儿的生活质量和肢体活动能力，促使患儿养成生活自理的好习惯，并且对智力低下患儿的智力有明显改善。

3.2 下肢康复机器人

下肢康复机器人按患儿训练时的不同姿态可分为站立式和坐卧式两种，能够辅助支撑患儿的身体，帮助患儿形成自然的步态，同时还能进行其他功能锻炼，主要对患儿的下肢肌力、步态和走路能力进行训练。有些与减重悬吊系统、运动平板等相结合，以达成更多的目的，如进行直线、转弯、迈上台阶等多种形式的步行训练[16-19]。有证据显示，对于痉挛型脑瘫患儿，利用下肢机器人辅助减重步行训练，能更早、更好、更充分地训练患儿的躯干控制、单侧支撑身体重量及髋膝关节伸展等步行相关能力，最终改善脑瘫患儿的下肢运动功能[20]；同时下肢机器人在提高患儿的平衡功能，改善患儿的粗大运动等方面也取得良好的效果[21]。

4 应用现状

4.1 脑瘫

脑瘫是胎儿及婴幼儿期发育中脑的非进行性损伤及缺陷所造成的运动障碍及姿势异常[22]，可伴有不同程度的智力低下、癫痫、心理行为异常、感知觉障碍及继发性肌肉骨骼问题，是导致儿童残疾的主要疾病，患病率为2‰～3‰。脑瘫儿童存在多种功能障碍，以步行障碍为主，因此改善患儿下肢功能，辅助其独立行走，对改善患儿生活质量尤为重要。下肢康复机器人主要通过电脑控制的机械臂固定住患儿的腿部，让其在跑台上训练。该系统包括提供部分支持体重的智能减重系统及机械性成分来控制髋关节和膝关节双侧运动的关节驱动系统。治疗师可控制体重支持的程度、机械臂支持的力度和跑台的速度。

脑瘫患儿并发精细动作功能障碍及认知落后，患儿穿戴好上肢便携式康复机器人，机器人根据规划的训练任务提供完全的运动辅助，对相应的瘫痪关节施加作用力，从而实现患肢的整体运动，可以改善脑瘫儿童上肢功能(精细动作)、手眼协调及认知水平。智能机器人甚至能够代替部分残疾功能，对于一些预后极差的脑瘫患儿而言，个人用外骨骼机器人能帮助他们站立、行走，作为一个“器官”融入患儿的日常生活，来提高他们的生活质量。这是脑瘫康复治疗技术的发展方向之一。

4.2 孤独症

除了脑瘫以外，机器人也能用于孤独症康复治疗。孤独症也称自闭症，是一种较为严重的广泛性发育障碍性疾病，主要表现为社交障碍、语言沟通障碍和重复性刻板行为。近年来，全球儿童孤独症发病率呈大幅上升趋势，我国孤独症的发病率也迅速上升[23]。该病尚缺乏特效药物，主要以康复、心理干预和特殊教育干预为主[24]。长期以来，对孤独症患儿进行交流干预一直是一个挑战[25]。由于孤独症儿童对机器人的兴趣比非机器人玩具或人类伴侣的兴趣要大得多，将机器人技术应用到孤独症康复中或许更有利于孤独症儿童社会交往技能的建立和泛化[26]。陈东帆等[27]研究证实，机器人能提高孤独症儿童社会交往能力、专注力与行为能力。此类机器人外形多为人形，这对于改善孤独症患儿的社会互动具有潜在的优势[28]。当然，相较于外形，更重要的是拥有强大自主功能的机器人系统[29]。得益于近几年人工智能(artificial intelligence,AI)技术的突飞猛进，机器人将拥有更杰出的互动性能，为改善孤独症患儿的预后带来希望。

5 发展趋势

5.1 更多的训练模式

就国内目前的情况来看，二胎政策的开放大大增加了脑瘫高危儿的数量，这对整个儿童康复行业都产生了不小的压力，尤其是与治疗师数量的短缺之间有着难以调和的矛盾。康复机器人目标之一是实现替代或辅助康复治疗师，简化传统一对一的繁重过程。现在我们所实施的机器人治疗项目多作为常规治疗的辅助手段，而不是替代疗法，在许多情况下增加了额外的治疗时间，并不能减轻治疗师的工作强度。另一方面，这些设备对低年龄段儿童并不适用。为此，需要康复机器人拥有更多的训练模式，以满足不同年龄段儿童的需求，并帮助缓解治疗师数量短缺所带来的压力。有研究表明，儿童能通过爬行获得运动经验，促进感知觉的发展，从而影响认知能力的发展[30]。传统的爬行训练不仅耗费人力，且训练强度不够。但目前尚未发现爬行相关康复机器人的文献报道。鉴于机器人擅长执行重复性繁重劳动，并可实现精确化、自动化、智能化的康复训练[31]，开发拥有更多训练模式的康复机器人是个不错的研究方向。

5.2 新技术的应用

随着计算机科学、工程学等的进步，康复机器人也有了更大的发展空间。根据脑神经可塑性理论，脑功能重组的恢复训练应该强调患者的主观参与，当康复机器人帮助患者进行准确重复的运动训练，如果患者能主动积极地参与到这个过程中，将能够获得更好的恢复效果。但鉴于儿童心智的不成熟，这一点对大多数儿童来讲很难实现。我们关注到虚拟现实(virtual reality,VR)技术可能帮助我们解决这一难题。虚拟现实技术是一种能给用户提供虚拟场景和虚拟对象，并允许用户与虚拟对象间进行交互操作的技术。它是计算机图形技术和传感控制技术有机结合的产物，其主要特征是为操作用户提供的操作环境，是实时逼真的视觉、触觉等反馈信息[32]。其具有安全性高、趣味性强、及时评估反馈等特点，在脑卒中运动功能障碍的康复中得到应用[33]。国外研究表明，对于步态、协调和平衡能力严重受损的多发性硬化症患者，使用配备虚拟现实系统的机器人进行步态训练能获得更好的效果[34]。限于虚拟现实技术本身并不成熟，是否能将之应用于儿童仍需进一步探索。但这不失为发展儿童康复机器人的一个好方向，对于发育落后的儿童，通过虚拟现实提高他们的主动性，增强视、听觉等的刺激，更好的脑功能恢复效果是可期待的。

6 面临的挑战

6.1 降低机器人成本

目前康复机器人价格较高，以上肢康复机器人为例，一台国产设备价格在70万元左右，使用年限6～10年，1次训练(约20 min)的收费至少140元左右。相比正常儿童，需要康复治疗的儿童有更多的医疗、康复、教育、看护等需求，对家庭生活造成很大影响，也给家庭带来沉重的经济负担[35]。如若不能降低成本，导致治疗费用大幅度提升，那么刚起步的儿童康复机器人将很难普及起来。尽管有些人主张简化机器人设计，以制造更便宜的机器人，但这充其量只是一种暂时的解决方案，不太可能成为长期战略。毫无疑问，一些简单的设备可以作为辅助治疗手段，但这并不符合我们的目的。一个成功的机器人设备必将是高度复杂的系统，它能智能地响应用户的需求，并提供适应性治疗，这在一个简单的设备中无法实现。

6.2 更加卓越的功效

开发新设备的最终目的当然是为了进行更好的康复训练，改善预后，提高生活质量。理论上，康复机器人无疑能带来不错的治疗效果，前文也提到一些临床研究证实了这一点，但似乎离我们的预期仍有着不小的差距。问题可能并不在机器人设备的功效，而在于人类大脑自我修复能力本身有限，无论设备的硬件或是训练模式的复杂程度如何。举个极端的例子，对于严重脑畸形的患儿，即使再先进的康复技术恐怕也难以对其运动能力产生积极的影响。但我们仍认为，增强康复机器人的发展，提高设备的功效是必须的，因为随着对干细胞移植及相关疗法的深入研究，神经系统恢复的生物学约束终将逐渐减少，甚至在将来可能会被移除[36]。

6.3 安全性

要将设备大量投入临床使用，那么无论对象是成人或是儿童，安全性的问题都不可回避。我们不仅需要考虑运动处方的安全性，还要考虑机器人自身的安全性。大多数康复机器人都有强大的动力系统，一旦失控，后果不堪设想，在儿童康复机器人设备上，这一点尤其不容忽视。然而在现有的康复机器人临床研究中，涉及安全性评价的几乎没有[37]。因此对于临床工作者来说，如何审查其安全性无疑是一个巨大的挑战。

7 结论

康复机器人正处于一个动态的发展阶段，在技术上取得了令人瞩目的进步，但在儿童康复领域的临床使用仍非常有限。我们仍需针对儿童持续改进技术，收集更多关于疗效的数据，开发出真正节省劳力的设备，促使儿童康复机器人完全进入临床领域。我们理想中的康复治疗模式是由医疗人员根据不同的病情制定出个性化的方案，由机器人去执行训练任务，医疗人员对训练效果进行评估，实时进行相应的调整。最终，机器人设备能够提升康复效果并降低人员成本，这才是导致它们被广泛采用的驱动因素。

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