下肢外骨骼康复机器人在脑卒中康复中的应用研究*

王 静, 陆蓉蓉, 白玉龙

复旦大学附属华山医院 康复医学科 上海 200040

1 下肢外骨骼机器人原理

脑卒中是导致残疾的主要原因之一。随着医疗护理及医疗技术的提高,脑卒中后患者的存活率越来越高[1],而这同时提高了脑卒中的致残率[1-2]。其中,肢体运动功能障碍增加了脑卒中后患者及家庭的沉重负担,严重影响患者的日常生活。因此,如何有效提高脑卒中后患者步行能力及日常生活活动能力,成为脑卒中康复研究的主要目标[3-4]。

基于神经康复理论,脑卒中后患者可以通过专业康复训练来恢复肢体功能[5]。下肢康复机器人将机器人技术应用于下肢运动功能障碍者[6]。近年来,随着康复机器人技术的迅速发展,各种各样的机器人已被广泛应用于临床康复治疗中[7-8]。目前,应用于下肢运动训练的康复机器人设备类型可以分为外骨骼型和末梢-效应器型。笔者就下肢外骨骼康复机器人做简要介绍。

外骨骼机器人是一种可穿戴于人体上的机器人设备,将人工智能系统和机械装置结合为一体[9]。下肢外骨骼康复机器人是一种康复设备结合计算机技术的新型设备,可提供支撑体重、防摔倒功能,用于帮助下肢运动功能障碍患者提高步行能力。这一设备的轴线与穿戴者的解剖轴线一致,直接控制患者的各关节,进而可最大限度避免异常姿势或运动情况[10]。采用减重方式,患者步态受外骨骼移动控制,步态模式较接近于正常人,这样在偏瘫早期即给患者输入正常的步行模式,使患者在不具备步行能力的情况下进行步行训练,进而使患者尽早具有行走的体验,以便能有效利用病情稳定后最有恢复潜能的一段时期。患者随着外骨骼的摆动进行步态训练,可以促进正常步态恢复,保持步行的协调性及稳定性。

2 下肢外骨骼康复机器人发展历史

最初,外骨骼机器人被用于步态障碍的康复,以促进上肢运动功能的恢复[11]。Rahman等人于2006年研发的第一代下肢外骨骼机器人是被动型的,无论患者做什么,该设备均可使患者身体移动到一个预定的轨迹上[12-13]。2010年,Kao等研究人员观察到,当穿戴被动型步态辅助外骨骼设备行走时,患者的髋部、骨盆和腿部运动模式保持不变,从而减少了所需的肌力消耗[13]。这一发现促使Quintero等人于2012年研究出第一个主动型外骨骼机器人,该机器人可按照患者意愿向同一方向移动[14]。与人体骨骼不同,外骨骼从外部支撑体重,使患者能够直立、自主活动,加强和改善下肢自主运动的协调性。这种技术相比其它神经元技术,如机器人辅助步态训练,具有更大的生态学效度,穿戴外骨骼设备的患者可以更长时间自主行走和移动[15]。

3 下肢外骨骼康复机器人典型产品

3.1 Lokomat

Lokomat于1999年由瑞士Hocoma医疗器械公司与瑞士苏黎士Balgrist医学院康复中心合作研制[16],是目前临床上最具代表性的下肢外骨骼康复机器人,也是第一套能辅助下肢运动功能障碍患者进行减重步行训练的机器人。Lokomat基本结构包括髋关节和膝关节表面的动力步态矫形器、体重支撑系统、运动跑台。外骨骼可驱动患者腿部在矢状面上实现步态运动,四个旋转关节可驱动髋关节、膝关节做屈伸动作。Lokomat被广泛应用于多种运动功能障碍的康复中,帮助患者改善运动功能,包括步态、平衡及肌力等,尤其是在急性和亚急性期。此外,Lokomat还具有人工智能装置,可实现人机协调性康复训练。

3.2 Lokohelp

Lokohelp是2008年由德国公司开发和生产的一种步态训练机器人,属于由跑台驱动而非外部设备驱动的下肢矫形器系统,由跑台装置、减重支撑装置、步态分析评估装置、安全报警及生命体征监测装置四部分组成[17]。在Lokohelp的辅助训练下,患者可主动步行,主动伸膝关节、髋关节,不仅可用于基本的步态康复训练,而且可以帮助患者完成下坡运动,对步态功能训练有明显的改善作用。此外,具有易组装、拆卸、调整特性的Lokohelp,可以在不同坡度上进行康复功能训练,主要用于临床上非早期阶段的步态功能训练,可显著降低参与者的人力及体力消耗。

3.3 HAL

HAL是2009年由日本筑波大学和赛博达因机器人技术公司联合研发的可穿戴式下肢康复机器人[18],是世界上第一个生物体型机器人。HAL充分利用使人力、机械、信息技术相融合的生物体机器人控制论[19],属于由自发控制系统和自主控制系统构成的混合系统。自发控制系统可通过生物电信号完全控制HAL,自主控制系统自动产生可反映人体活动特点的运动模式[18]。HAL的腿部结构通过直接放置在关节上的谐波驱动器直流电机为髋关节和膝关节的屈曲、伸展提供动力。踝关节屈曲、伸展自由度是被动的。下肢组件通过带有地面反作用力传感器的特殊鞋,以及小腿和大腿上的线束、宽腰带与穿戴者接触。HAL可以提高步行速度和步幅长度,因此可用于患者的步态训练。严重偏瘫患者使用HAL,不仅有助于改善行走能力,而且有助于在移除HAL后走路时采用新的步态模式[19]。

3.4 H2

H2是西班牙Technaid等人研究的一种新型下肢外骨骼康复机器人[20]。这一机器人属于轻量级电池供电设备,专为临床环境中的地面步态训练而设计。H2设置了具有六个自由度的双边佩戴装置,其中髋关节、膝关节和踝关节是驱动关节。一般非固定型外骨骼康复机器人无踝关节驱动,对于脑卒中后患者的步态功能康复而言,足下垂在大多数患者中很常见,因此踝关节驱动对解决足下垂问题至关重要,这也是H2特有的优势。此外,H2具有舒适、轻便、结构坚固的特点。外骨骼框架包括大腿、小腿、铰链髋关节、膝盖、脚踝,以及铰接脚板和腰部的双向支撑。

3.5 LOPES

LOPES是2007年由荷兰特温特大学生物医学技术研究所Veneman等人设计的一种步态功能康复下肢外骨骼机器人[21],结合了一个可自由伸缩的二维感应式骨盆段与包含三个可驱动旋转关节的下肢外骨骼,其中两个在髋部,一个在膝部。关节受阻抗控制,使机器人和训练对象之间产生双向机械作用。评估测试结果表明,LOPES有患者主导和机器人驱动模式,这两种模式下机器人可分别被控制跟随及引导患者步行。

3.6 ReWalk

2012年,以色列ReWalk Robitics公司开发了ReWalk[22]。ReWalk包括电动外骨骼装置、计算机控制器、可接触地面的传感器及电池单元,电池和主机都有一个内置的备份系统[23]。外骨骼具有大腿、小腿及铰接膝关节的双侧外部支撑,分别铰接至脚板和向近侧的骶骨带。ReWalk使用闭环算法软件控制。髋关节和膝关节的运动受电机控制,脚踝则使用弹簧辅助背屈的机械关节铰接。由于运动的激活是在患者自我控制和启动之下进行的,因此ReWalk比普通的机器人驱动控制更安全。软件设计方面,ReWalk可以防止患者在发生摔倒时臀和膝关节的快速屈曲,并可控制由站到坐的速度。站立和行走期间,患者的稳定性和安全性通过并行使用的拐杖、步行器、爬楼梯栏杆等步行助推器来实现。

3.7 Ekso

Ekso Bionics机器人公司研发和制造的Ekso外骨骼康复机器人[24],具有使用电池供电的外骨骼,能帮助下肢瘫痪的患者进行步行活动。Ekso由电机和传感器组合而成,通过帮助患者身体平衡和定位,使患者能够以高效互惠的步态模式在地面上行走。躯干和腿带的设计用于患者独立或在略微帮助的情况下较容易地进出Ekso。

3.8 WA-H

WA-H是2014年由韩国首尔HEXAR公司专为脑卒中后偏瘫患者研发的一种价格便宜的便携式可穿戴式步态辅助机器人[25]。使用WA-H进行步态训练,可以改善神经功能障碍患者的平衡性和运动协调性。WA-H在步态训练期间主要在矢状面上运动,因此使用电机辅助膝关节和髋关节在矢状面上运动。此外,在冠状面上,通过被动髋关节可用于追踪患者的关节运动情况,以便在步行期间实现质心偏移,并可用于调整和配合关节的位置。踝关节借助弹簧附件以辅助踝关节背屈和防止足下垂。WA-H相比原有的Lokomat等机器人,质量更轻,并可随时进行安装和使用,且不需要额外的设备,实用性更强。

3.9 SMA

SMA是由日本本田研发公司开发的新型可穿戴式外骨骼机器人[26]。SMA可提高步行能力,增强老年人和步行功能障碍患者的社区活动能力、社会交往能力。SMA穿戴于髋关节周围,在每个髋关节处提供独立、主动的屈曲和伸展动力,以辅助患者步行。Carolyn等人研究表明,应用SMA和功能导向性特殊训练干预措施,可明显改善时空步态参数。可见,SMA是一种较好的辅助治疗工具,有助于改善脑卒中后患者的运动功能。

4 临床应用研究

目前临床上研究的最具代表性的下肢外骨骼康复训练机器人是Lokomat和HAL。因国内外对其它机器人的临床应用研究报道较少,故以下着重分析上述两种代表性下肢外骨骼康复机器人在临床应用中的研究。

4.1 Lokomat

国内外对于Lokomat的临床应用研究已有很多[27-32]。Chang等人[10]研究了机器人辅助治疗在脑卒中康复中的应用,选择十项随机对照试验,分析Lokomat下肢康复机器人辅助治疗对亚急性期、慢性期脑卒中后患者步行功能的影响[33-42]。2007年的两项试验结果表明,Lokomat辅助治疗对提高脑卒中后患者步态功能的效果优于传统物理治疗[33,43]。这两项试验招募病人数量相对较少,第一项是有关亚急性期脑卒中后患者的试验性研究[43]。随后,2008年Hornby等人[34]的研究结果表明,传统康复治疗对改善慢性期脑卒中后患者步行功能的效果优于Lokomat辅助治疗。Hidler等人[35]在一项多中心、随机试验中也对机器人辅助治疗在提高亚急性期脑卒中后患者步态功能方面的效果进行了研究,结果表明,与传统多样性步态训练相比,机器人辅助训练对提高患者步行能力的效果较差。因此,上述研究均认为在同等训练强度下,传统治疗相比Lokomat等外骨骼康复机器人辅助治疗,能更有效提高脑卒中后患者的步态功能。其它研究结果显示,传统物理治疗结合机器人辅助训练改善脑卒中后运动功能障碍者的步态功能,优于单独的传统治疗,尤其是对亚急性期脑卒中后患者而言[36-39]。2009年,Schwartz等人[40]实施了一项大样本临床试验,研究结果表明,机器人设备结合常规物理治疗与单纯的常规治疗相比,在亚急性期脑卒中后患者的步态功能康复治疗中具有更好的疗效。因此,Lokomat等外骨骼康复机器人或许不能替代传统物理治疗以提高脑卒中后患者的步态功能,但是可与传统物理治疗结合起来帮助脑卒中后患者康复,尤其是对于亚急性期脑卒中后患者而言。然而,对于慢性期脑卒中后运动功能障碍者,机器人改善步态功能的疗效研究还不是很充分。

4.2 HAL

Louie等研究人员[44]在研究动力型外骨骼机器人对亚急性期及慢性期脑卒中后患者的步态功能康复中,选择了八项试验来研究动力型下肢外骨骼康复机器人辅助治疗对亚急性期、慢性期脑卒中后患者步行功能的影响。

在四项亚急性期脑卒中研究中,只有一项是随机对照试验[19],表明使用HAL的患者与常规传统治疗步态康复相比,在功能性步行分级评分方面有显著改善。然而,研究发现HAL干预和常规治疗对于步速或耐力之间的差异并不显著。一项小型前后对照的亚急性期脑卒中研究也发现,亚急性期患者在外骨骼机器人辅助步态训练后的功能性分级评分有显著提高[45]。在亚急性期脑卒中的其它两项前后对照研究中[46-47],患者仅经过一段时期康复训练,步行速度即可得到改善。

在其它四项慢性期脑卒中研究中,由50名志愿者参与的随机对照试验结果表明[48],训练时间相一致的穿戴外骨骼机器人训练组参与者在提高步速方面无显著性差异。相比之下,非随机对照试验结果发现[49],与常规物理治疗相比,使用HAL训练后的步行速度和功能性移动时间有显著变化,且在临床上有显著意义。然而,对照组没有经历等量的训练时间。在另外两项小样本后期研究中,每项研究都有三名参与者,研究结果不一致[50-51]。在其中一项前后对照研究中[50],通过使用6 min步行测试评估,显示参与者在耐力方面得到了明显改善。两项小样本前后对照研究[50-51]中,三名参与者在功能性移动时间方面得到了明显改善。使用0.06～0.14 m/s的极小临床重要差异评估,结果显示参与者在步速方面的提高具有临床意义[52]。

4.3 小结

综合相关研究结果显示,下肢外骨骼康复机器人或许不能替代传统物理治疗以提高脑卒中后患者的步态功能,但是可与传统物理治疗相结合,以辅助治疗亚急性期脑卒中后患者的步态功能康复。另一方面,外骨骼机器人与传统物理治疗相比,对慢性期脑卒中后患者的步态功能康复在临床上无显著差异[10]。此外,由于目前临床上的研究均是小样本研究,因此需要实施大样本、设计严谨的试验研究,以表明下肢外骨骼康复机器人是否能够更有效地促进脑卒中后患者整体康复。

5 下肢外骨骼康复机器人优缺点

5.1 在运动训练中的优势

相比传统康复治疗,下肢外骨骼康复机器人可以辅助肢体进行高强度、高重复性康复训练,从而促使脑卒中后患者的神经控制机制重建,最终改善患者肢体运动功能。下肢外骨骼康复机器人具有精确性、灵活性及柔性特点,可实时准确调整运动参数与力学参数。此外,为了增强患者的积极主动参与性,现已研发出结合虚拟现实等多媒体技术的康复机器人系统,使康复训练过程充满乐趣,从而使康复治疗效果更佳。患者可以以较低的心率、较少能量的消耗进行长时间训练,提高耐力。吊带及固定带的保护,增强了训练的安全性。下肢外骨骼康复机器人具有运动、防护、支撑三项功能,可以辅助患者改善各种运动功能,并可以应用于更广泛的环境中。

5.2 在脑卒中康复中应用的局限性

目前,下肢外骨骼康复训练机器人的研究尚处于发展阶段,仍存在诸多问题,包括结构复杂、控制难度较大、价格昂贵等。下肢外骨骼康复机器人的机械结构和控制系统仍不够完善,对患者关节角度、力矩、速度等缺乏实时准确控制。大多数机器人训练模式比较僵化,患者主动参与性仍较差,仅依赖于机器人完成训练,进而极大影响了康复训练效果。最重要的是,下肢外骨骼康复机器人对脑卒中后不同阶段康复训练的持续时间和治疗强度尚无定论。

6 应用展望

随着社会老龄化趋势加重,脑卒中发病率逐年提高,致残率随之增高,这使康复机器人显示出较大的实用价值。动力型下肢外骨骼康复机器人代表一种相对较新的技术,目前临床试验表明,动力型下肢外骨骼康复机器人能够安全有效地用于亚急性期和慢性期脑卒中后患者的步态训练干预[44]。下肢外骨骼康复机器人可以使患者克服在轮椅上无法应对的环境条件,如爬楼梯等。此外,还可以在更广泛的环境中使用,如工作场所、家庭及康复医院等,并帮助患者进行日常生活活动。可见,随着科技的不断进步与发展,下肢外骨骼康复机器人的机械结构和控制系统将不断提升与改进。相信在不久的将来,下肢外骨骼康复机器人辅助治疗对脑卒中后患者不同阶段的步态功能会有显著改善作用。