下肢康复机器人的发展及其应用进展

隗麒轩，何思佳，黄雨青，杨信才，崔彩虹，王 宁

脑卒中具有发病率高、致残率高的特点[1]，70%～80%的病人存在运动功能障碍，其中步行能力是病人希望恢复的功能之一[2]。脑卒中发生后，康复训练影响运动系统的可塑性[3]，高强度、重复性和具有任务导向性的康复训练具有积极的临床意义[4-6]。康复机器人的出现节约了大量的人力，并可提供密集重复的康复训练。现综述下肢康复机器人特点，以期为今后的研究方向提出依据。

1 下肢康复机器人简介

随着机器人和电子信息技术发展，越来越多的下肢康复机器人应用于临床康复治疗中，根据功能分为步态训练型、辅助行走型和末端驱动型。步态训练型下肢康复机器人包括机械外骨骼支持系统和医用跑台，主要为病人提供生理步态的康复训练；辅助行走型下肢康复机器人主要是由外骨骼和辅助助行设备构成，帮助病人进行坐到站、站到坐、行走及上下楼梯等与日常生活相关的康复训练；末端驱动式康复机器人主要由机械脚踏板和减重装置组成，可作用于人体足部进行康复训练。

1.1 步态训练型康复机器人 Lokomat是瑞士苏黎世大学附属医院康复中心与瑞士Hocoma医疗器械公司联合研制的机器人步态训练装置[7]。Lokomat是由减重系统、医用跑台和外骨骼固定系统组成，根据病人需求可辅助髋、膝、踝关节运动。Lokomat软件包括预定运动模式，该模式是根据正常步态的研究建立的，治疗师根据病人需求选择指导参数[8]。有研究表明，Lokomat下肢康复机器人可改善脑卒中偏瘫病人步行能力和生活质量[9]。Hornby等[10]发现，与相同强度的下肢机器人训练比较，治疗师指导下步态训练更有效。相关研究表明，Lokomat训练参数在塑造偏瘫中风病人的短期肌肉活动和步态对称性方面通常无效[11]。LokoHelp是德国LokoHelp Group研究所研发的下肢康复机器人，结果表明其有助于改善脑卒中后病人下肢运动功能[12]。其他步态训练型康复机器人还包括POGO、PAM[13]和ALEX[14]等。

1.2 辅助行走型康复机器人 HAL是由日本筑波大学研制的辅助行走型康复机器人[15]，主要包括外骨骼框架、传感器和控制器。外骨骼框架主要用于固定和传递动力。传感器可检测病人肌电信号和重力信号，通过控制器实现自动驾驶和动态辅助，并提供运动支持进行自助驱动的运动训练。HAL摆脱了跑台的限制，病人在实际生活环境中进行运动训练[16]。Kubota等[17]研究显示，HAL训练可提高慢性脑卒中病人步行速度。另一项研究表明，HAL训练可提高慢性脑卒中病人步行速度，但在提高慢性脑卒中病人步行能力或平衡功能的可行性方面需进一步探讨[18]。

ReWalk是以色列ReWalk公司研制的辅助行走型康复机器人[19]，主要包括独立控制的双侧髋膝关节马达、电池和电脑系统，ReWalk通过测定微小的躯干运动和重心变化辅助病人行走。ReWalk特殊之处在于拥有远程交互系统，通过控制器自主参与控制行走，进而完成坐站转移及行走指令，且该系统设置禁止同一条腿连续两次步行的程序，提高了行走的安全性。关于ReWalk的研究表明，多数穿戴者可在城市社区实现步行功能，有助于改善疼痛、缓解痉挛及促进肠道、膀胱功能，且未出现摔倒或自主神经反射障碍等不良事件[19]。一项针对截瘫病人研究表明，与膝-踝-足矫形器(KAFO)相比，ReWalk机器人可使截瘫病人以较低的能量消耗行走，但在步态安全性、有效性、效率或病人满意度方面不优于KAFO[20]。其他辅助行走型机器人包括KineAssist[21]、WalkTrainer[22]等。

1.3 末端驱动型下肢康复机器人 GangTrainer是德国Reha-Stim研究所研制的末端驱动型下肢康复机器人[23]。GangTrainer主要通过踏板的前后运动模拟步行站立和摆动阶段，其中站立阶段占60%，摆动阶段占40%[24]。当病人无主动运动能力时，由机器人电机提供完全的驱动力；当病人协助或抵抗踏板运动时，电机相应地调整输出扭转力。机器产生的扭转力传输到电脑，并转换为数字显示在屏幕上，为病人和治疗师提供生物反馈信号[25]。有研究表明，GangTrainer可显著提高脑瘫儿童髋关节运动幅度、步行速度等[26]。HapticWalker是一种末端驱动型康复机器人，它不仅能模拟缓慢而平滑的运动轨迹，如在地板楼梯上行走，还可模拟脚的运动，甚至绊脚或滑动[27]。其他末端驱动型下肢康复机器人包括Univ.Gyeongsang[28]等。

2 下肢康复机器人的应用

有研究表明，下肢康复机器人对脑卒中偏瘫病人下肢屈髋肌群肌力、伸膝肌群肌力恢复具有促进作用[29]，下肢康复机器人配合肌电生物反馈治疗有助于改善病人下肢运动功能与痉挛程度[30]。一项Meta分析表明，下肢康复机器人治疗慢性或亚急性脑卒中独立步行方面优于传统治疗组，但恢复步行速度方面，两组比较差异无统计学意义(P>0.05)。因此，下肢康复机器人适用于无法独立行走的病人，这可能是由于机器人更易实现恢复步行训练，而对可自主行走的病人，主要目标是恢复步行速度，机器人的应用较难实现行走速度训练[31]。相关研究表明，下肢康复机器人训练可促进脑卒中偏瘫病人平衡功能的恢复，但其是否优于传统康复训练尚不明确[32-33]。一项回顾性研究显示，下肢康复机器人治疗对步行速度和步行能力无显著影响，与传统物理疗法结合对独立运动的恢复有较小影响[34]。另一项研究表明，在改善脑卒中病人的步态方面，下肢康复机器人辅助治疗是对传统物理疗法的有益补充，但无明确证据表明机器人步态训练优于传统物理疗法[35]。一方面，可能是由于机器人采用模块化训练方法，这种训练方法将复杂的肢体动作分解为关节特有的、单一的、重复的运动模式(如肘关节屈曲/伸展)。与常规对人类运动发展的理解是不一致的，人类的运动不是单一运动的组合，而是在不断尝试和错误中发展的。模块化训练方法与目前的康复思维不一致，康复锻炼已不是单纯的重复性训练，而是强调恢复对病人生活和工作有意义的功能活动。另一方面，多数机器人设备根据需要均采用了提供辅助支持的驱动方式。理论上，该模型帮助病人减少误差，并促使病人形成正确的运动模式。相关研究表明，病人可能过度依赖这种反馈，从而不利于离开机器人之后的运动表现[36]。

3 小 结

下肢康复机器人在某些方面较治疗师辅助的训练更具优势。一方面，下肢康复机器人可减少密集的人员需求，有助于缓解目前康复技术人才短缺的现状；另一方面，下肢康复机器人的训练输出可进行量化设置，如足底压力等，并客观记录病人输出，如运动时间等，这些均有利于进行循证医学研究。目前关于康复机器人的研究仍存在争议，需进一步研究。同一类型的康复机器人应用于有步行能力和无步行能力的病人疗效不同，仍需进行随机对照试验以明确下肢康复机器人适用的疾病或病人类型。下肢康复机器人可改善脑卒中偏瘫病人下肢运动能力和步态，但关于不同下肢康复机器人之间的疗效对比较少，今后研究应确定不同类型机器人优势，从而为病人提供精确的治疗。下肢康复机器人可提供高强度、高重复性的运动训练，极大减轻了医疗机构人员负担，但关于下肢康复机器人的使用频率和强度尚无统一定论，需进一步研究。不同机器人提供的辅助类型不同，今后研究应明确机器人治疗有效的特征和方式，并确定机器人必须提供的轨迹和感官输入，以提高病人康复的质量和效率。