下肢康复机器人改善痉挛型脑性瘫痪儿童步行移动功能的物理治疗研究进展

马婷婷，张皓

1.首都医科大学康复医学院，北京市 100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院，a.儿童物理疗法科；b.神经康复科，北京市100068

脑瘫是一组持续存在的中枢性运动和姿势发育障碍、活动受限症候群，其中约60%～70%为痉挛型脑瘫[1-2]，该类儿童由于肌张力增高和原始反射持续存在而导致有效运动减少，步行移动功能受限[3]。步行是中枢神经系统的终极目标在生物力学水平上的体现，对儿童心理和运动独立性的形成均有重要意义[4]。传统的步行训练效果易受环境、训练强度、治疗师专业水平等因素影响，操作标准无法规范统一，评定指标不能标准量化[5]；传统训练模式单一枯燥，儿童在长期训练中易产生畏难、厌倦等消极情绪，影响配合程度[6]。下肢康复机器人具有稳定性好、重复性强、可标准量化指标的特点，近来具有很高的研究热度[7]。机器人辅助步态训练(robot-assisted gait training,RAGT)在成人步行移动功能物理治疗中的应用越来越广泛，但在儿童领域尚处于初期阶段。高强度的重复性训练可以促进儿童大脑皮质重组，使其学习并存储正确的运动模式[8]。鉴于儿童的神经可塑性优于成人，儿童采用下肢康复机器人进行步行移动功能训练应比成人获得更佳的效果[9]。

1 下肢康复机器人

1.1 下肢康复机器人的发展

康复机器人应用于残疾人物理治疗始于20 世纪60 年代[10]，受当时的经济条件和技术水平影响，应用十分有限；直至1987年，英国Mike Topping 公司成功研制出Handy 1 康复机器人样机帮助脑瘫儿童独立进食，康复机器人才真正进入产品研究阶段[11]。经过30余年的快速发展，下肢康复机器人作为康复机器人的重要分支和传统物理治疗的辅助手段逐渐进入临床应用，帮助患者提高步行移动功能[12]。如今，下肢康复机器人的结构和功能越来越复杂，关节自由度由单个发展到多个，训练模式由单一化发展为多模式。最新一代的下肢康复机器人能够结合视觉诱发增强的自主脑控技术，智能化带动患者通过“意念”控制行走；同时在落地时进入自平衡状态并实现重心纠偏扭转，提高步行能力[13]。

1.2 下肢康复机器人的分类

根据人机结合模式，下肢康复机器人分为牵引式和外骨骼式。牵引式结构简单且便于控制，能为患者提供平面运动训练。外骨骼式机器人基于仿生原理设计，结构更加复杂，在步行时可以直接控制多个关节，能够基于正常步态对患者的运动意图进行判断而进行更加有效的被动和主动训练，是康复机器人的研究方向[14]。

根据患者在训练时的不同姿态，下肢康复机器人分为坐卧式和站立式，其中站立式对于改善步行移动功能的效果尤为明显。站立式机器人与减重悬吊系统、运动平板、功能性电刺激(functional electrical stimulation,FES)等相结合，能够辅助支撑患者身体并进行直线、转弯、上下台阶等多模式步行移动功能训练[15]。

1.3 下肢康复机器人的步行移动功能康复机制

下肢康复机器人的步行移动功能康复机制尚未明确，有学者认为与大脑神经可塑性原理和运动学习理论有关[16]。神经可塑性是神经系统通过改变结构或功能以适应内外环境变化的能力[17]。运动学习是反复练习和经验积累的过程，通过各种反馈对肢体运动进行控制并调整异常姿势，最终表现为技能型运动方式以获得相对持久的运动能力[18]。

由于持久存在的神经功能障碍，患者需要进行长期以活动为基础的移动训练以获得最大化的运动功能恢复。大脑的损伤区域虽然不能完全修复，但损伤区域的工作可由邻近神经区域部分代偿，而长时间高强度训练对于促进髓鞘再生和发展新的神经突触至关重要[19]。下肢康复机器人可能通过高强度的重复性运动，促进中枢神经系统的代偿和重组；提供精确的控制力辅助下肢进行趋近正常的多关节运动，强化本体感觉刺激以促进肢体产生主动运动，从而形成正确的感觉-运动神经通路，以增强关节稳定性和下肢运动协调性，帮助患者恢复步行移动功能。

尽管目前仍未完全明确其机制，但已有临床随机试验证明痉挛型脑瘫儿童通过RAGT 能够更早、更充分地增强躯干控制、单侧下肢负重及髋膝关节伸展的能力，在平衡和运动功能等方面也有较好效果[20]。

2 下肢康复机器人在痉挛型脑瘫儿童步行移动功能障碍康复中的应用

本文通过检索PubMed、Embase、中国期刊全文数据库、万方数据库等国内外电子数据库，以《国际功能、残疾和健康分类》(International Classification of Functioning,Disability and Health,ICF)为框架，将文献按照身体结构与功能、活动、参与进行分类并综述。

2.1 身体结构与功能

2.1.1关节活动度(range of motion,ROM)

痉挛型脑瘫儿童由于缺少四肢的灵活性运动，关节容易出现挛缩和变形，导致关节活动受限。在步行中常见因支撑相髋膝关节伸展不足而产生蹲伏步态，影响步行移动功能[21]。有研究指出下肢康复机器人可有效减小支撑相髋关节屈曲运动弧范围和站立相后期膝关节屈曲ROM[20]。Lerner 等[22]的研究发现，RAGT 后站立相膝伸展ROM 扩大了18.1°，摆动相髋关节运动范围和膝关节总体运动范围亦明显增加，儿童步行姿势更为协调。而踝关节外骨骼RAGT则显著提高痉挛型脑瘫儿童踝关节背屈ROM，纠正尖足步态[23]。

综上所述，下肢康复机器人可以通过机械腿改善痉挛型脑瘫儿童髋、膝、踝关节在步行过程中的矢状面ROM，纠正异常姿势并提高步行移动功能。

2.1.2肌力

痉挛型脑瘫儿童由于本体感觉和运动觉的减退或缺失导致选择性运动控制被破坏，在步行中无法激活足够的肌肉运动单位，肌力弱于正常儿童[24-25]。一般采用徒手肌力检查(Manual Muscle Test,MMT)进行肌力评定，但其测定远端肢体肌肉的信度不高，评定结果也易受治疗师专业水平和主观意识影响[26]。目前普遍使用表面肌电(surface electromyographic,sEMG)系统定量评定儿童在步行中的肌力变化，发现RAGT时儿童的股直肌、股内侧肌和胫骨前肌肌力显著高于平地步行[27]。此外，手持式肌力测定仪(Hand-hold Dynamometer,HHD)在测定下肢肌力方面也有较好的重测信度，使用HHD 测量发现胫骨前肌肌力在无束缚踝关节外骨骼RAGT 后增加44%[28]。一项系统综述表明[29]，RAGT 对胫骨前肌肌力提高有积极影响，但对臀中肌等髋部肌肉影响不大。

综上所述，下肢康复机器人通过调节干预刺激大小促进痉挛型脑瘫儿童下肢力量，提高肌肉协同和控制能力，对伸膝、踝背屈表层肌肉有明显作用，对髋部和深层肌肉力量的提高仍需进一步研究。

2.1.3肌张力

痉挛型脑瘫儿童由于跖屈肌牵张反射引起踝痉挛，产生尖足步态。下肢康复机器人对于痉挛型脑瘫儿童肌张力的影响尚有争议。一项观察性队列研究[23]对28 例痉挛型脑瘫儿童进行15 h 的治疗观察，发现经过每次75 min、每周2 次的踝关节外骨骼RAGT 后，有27 例在踝跖屈快速牵拉试验中速度加快，提示腓肠肌肌张力下降，应用改良Ashworth 量表(modified Ashworth Scale,MAS)评定的随机对照试验[30]也得出相似的结果。但尹正录等[31]的研究显示，痉挛型脑瘫患者RAGT 后，异常肌张力并未明显降低；Kawasaki等[32]认为RAGT 甚至会引起腓肠肌肌张力增高。

存在争议的原因可能包括：①受试对象的大脑损伤部位和程度不同，粗大运动功能分级(Gross Motor Function Classification System,GMFCS)有差异，纳入标准不一致；②肌张力障碍程度不同；③治疗师操作不统一。具体原因仍需进一步研究。

2.1.4步态参数

痉挛型脑瘫儿童在步行中不能为胫骨产生向前的推进力而妨碍身体前进和利用下肢的动量向前，儿童需要代偿性增加双足支撑时间保持平衡并协调下一步运动，导致步态时相的比例失衡，步速、步长、步行距离等明显落后于正常同龄儿童[33]。

下肢康复机器人通过对儿童输入接近正常的感觉和运动模式，不断纠正其出现的错误动作，改善儿童的步态时空参数；还可明显提高儿童自选步行速度(self-selected walking speed,SWS)和最大步行速度(maximum walking speed,MWS)下的6 分钟步行距离(6-minutes walking distance,6MWD)[34]。一项前瞻性队列研究[35]通过对比RAGT、部分减重跑台训练(partial body weight-supported treadmill exercises,PBWSTE)和抗重力跑台训练(Anti-gravity Treadmill Exercises,ATE)的训练效果，发现三种训练对痉挛型脑瘫儿童步速、步长、步频和6MWD 均有明显改善效果，RAGT效果更佳，且更能调动儿童步行的主动性。

关于步态动力学参数和时相变化方面，一项交叉对照试验[32]对比11例痉挛型脑瘫儿童RAGT前后足底压力的变化，发现7 例足趾蹬地力在RAGT 后有所提高，但另4 例因独站不能而无法完成试验。Han等[36]的Meta分析虽然指出RAGT 可显著延长痉挛型脑瘫儿童下肢支撑时间并提高步行稳定性，但因所涉及的研究很少且年代久远，无法说明RAGT对于痉挛型脑瘫群体的步态时相变化有积极影响。

综上所述，下肢康复机器人可有效改善痉挛型脑瘫儿童的步态时空参数，但在步态时相关系变化和动力学参数方面仍需进行大样本量、设计良好的有效研究。

2.2 活动

2.2.1运动功能

痉挛型脑瘫儿童由于肌张力异常增高及原始反射持续存在而导致运动功能低下[37]。粗大运动功能测试(Gross Motor Functional Measure,GMFM)作为评定儿童运动功能的重要指标具有很高的可信度，与痉挛型脑瘫儿童运动功能呈显著正相关[18]。下肢康复机器人对各年龄组痉挛型脑瘫儿童GMFM 累积数值有明显提高效果，特别是对4～6 岁患儿的改善超过了该年龄段的预期[38]。Wiart等[39]进行的一项多中心、双盲、随机对照试验中将144 例痉挛型脑瘫儿童随机分为RAGT 组、RAGT 结合功能性物理治疗(functional physical therapy,FPT)组、FPT 组和对照组，在经过每次50 min、每周2 次、持续8～10 周的训练后，RAGT 组GMFM 评分较训练前显著提高，RAGT 结合FPT 组次之，说明RAGT 与痉挛型脑瘫儿童运动功能的改善呈显著相关[40]。Carvalho 等[41]的Meta 分析认为，RAGT 对痉挛型脑瘫儿童短期运动功能有非常积极的影响。

下肢康复机器人对痉挛型脑瘫儿童运动功能的长期疗效和时间尚不明确。一项双中心、单盲、交叉对照试验认为，在统一了干预频率和干预持续时间的情况下，RAGT 对于提高痉挛型脑瘫儿童运动功能有明显帮助[8]。但尚未发现关于干预模式的标准化大样本研究。鉴于纳入标准、样本量和干预强度的不同，RAGT长期疗效可能维持3～6个月。

2.2.2平衡

痉挛型脑瘫儿童无法精细化控制肌肉的活动强度，不能正确感知肢体在空间中的位置和运动状态并进行双下肢的协同运动，需要身体其他部位代偿以完成步行，而代偿则导致非对称性姿势的发生，身体重心发生偏移[25]。Berg平衡量表是评定平衡功能的常用方法，信度良好。有研究发现[21]，12 周的RAGT即可明显提高儿童Berg 平衡量表评分，但未分析其长期疗效。也有使用平衡评定设备如Biodex 系统对儿童身体质心中心(center of mass,COM)位置变化进行动态平衡的定量化评定，认为下肢康复机器人是改善痉挛型脑瘫儿童动态平衡功能的重要工具[42]。Wallard 等[43]则通过比较训练前后身体COM 与压力中心(center of pressure,COP)的动力轨迹发现，治疗组COMCOP矢状轴投影距离在训练后明显增加，说明儿童在RAGT后能够更好地在动态平衡控制下以推进步态重组步行。

综上所述，下肢康复机器人通过机械腿的干预纠正痉挛型脑瘫儿童的异常姿势，调整身体重心，提高平衡能力。但缺乏长期随访证据，尚不能证明其长期疗效。

2.2.3能量消耗

痉挛型脑瘫儿童由于不同程度的运动障碍导致躯干僵硬而出现“块”状运动模式(bloc pattern)，需要消耗更多的能量来完成步行[44]。痉挛型脑瘫儿童比正常儿童更易疲劳，中重度痉挛型脑瘫儿童可能无法独立完成步行，需要乘坐轮椅完成移动[45]。

下肢康复机器人对痉挛型脑瘫儿童步行时能量消耗的研究较少，且疗效不一。Aras 等[35]发现痉挛型脑瘫儿童在20 次RAGT 后，步行耗氧量明显减少，生理消耗指数(physiological cost index,PCI)明显降低，疗效在3 个月后仍保持。但另一项临床随机对照试验却显示[46]，经过4 周共12 次RAGT 后，痉挛型脑瘫儿童的PCI未有显著改善。

出现这种差异的原因可能包括：①受试对象纳入标准不统一，GMFCS 分级有差异；②受试样本量小；③评定人员专业水平差异；④部分受试者的心率受紧张等心理因素影响而加快，导致测试指标准确性降低[47]。

2.3 参与

痉挛型脑瘫儿童由于活动能力受限而无法参加正常的家庭、学校和社会生活，参与能力受到严重影响。加拿大作业活动量表(Canadian Occupational Performance Measure,COPM)是评定痉挛型脑瘫儿童参与能力的一种指标，在国外脑瘫人群中应用广泛，国内应用较少[48]。

下肢康复机器人对于痉挛型脑瘫儿童参与能力的研究较少，且缺乏大样本随机对照证据。有研究发现[49]，33例痉挛型脑瘫儿童经过16 次RAGT 后，COPM 评分显著提高，家长报告儿童参与家庭和学校活动的主观意识和客观能力均有所加强。Kuroda等[50]的研究亦支持此观点。但一项前瞻性对照队列研究则认为[40]，经过3 周RAGT 后，儿童的COPM 数值并未明显改善。

出现这种差异的原因可能包括：①受试对象纳入标准有差异；②受试样本量小，训练时长差异大；③部分受试者理解和表达能力低下，不能有效完成量表评定。

2.4 其他

除了运动方面，下肢康复机器人对于缓解痉挛型脑瘫儿童及家长的焦虑情绪，提高康复期望值也有一定作用[51]。家长将RAGT 视为一种潜在的革命性技术，是改善儿童步行移动功能的必要部分[52]。Gilardi 等[53]通过主观问卷调查发现RAGT 可显著提高儿童和家长对康复的期望值，提升痉挛型脑瘫儿童家庭的幸福感[54]，同时也减轻治疗师的疲劳度。

3 小结

综上所述，下肢康复机器人以高强度、重复性运动为特点，对改善痉挛型脑瘫儿童下肢ROM、肌力和步态时空参数效果显著，值得在临床中推广。对儿童的短期运动和平衡功能有明显改善效果，但长期疗效以及干预措施的标准仍需进行深入研究。下肢康复机器人在降低异常肌张力方面仍存在争议，对步态时相变化和动力学参数、能量消耗和参与能力方面的研究较少。

今后的下肢康复机器人研究需要进行大样本量、设计良好的多中心临床研究，并更多开展降低异常肌张力、步态时相关系变化和动力学因素、减少能量消耗和提高参与能力方面的研究，使下肢康复机器人作为传统物理治疗的补充手段，将儿童作为一个整体，以ICF 框架为基础进行步行移动功能、活动和参与的全方位量化治疗，而非局限于某一方面进行治疗。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。