下肢康复机器人对脑瘫患儿步行能力改善的研究进展

郭海滨，周璇，杜青

脑性瘫痪(cerebral palsy，CP)简称CP，由先天性发育缺陷或获得性疾病等非进行性脑损伤所致，患病率约为每1000活产儿中有2.0～3.5个[1]。CP主要表现为身体活动受限，永久性运动和姿势障碍[2]，约25%的CP患儿不能行走。因此，改善CP患儿行走能力来提高其生活自理能力十分重要。传统的下肢康复包括由治疗师指导进行的减重步态训练、平衡训练等，以及使用矫形器治疗[3]。CP持续终身，需要长期进行规范化康复，意味着大量人力物力的消耗。我国康复技术人员仅4万余人，80%从事成人康复，而我国CP患儿高达200万[4]，仅靠当前人力难以满足需求。而康复机器人弥补了这一问题，具有很大的发展潜力。下肢康复机器人是根据机器人学、仿生学、控制理论以及信息处理技术等原理，设计出的可穿戴在人体下肢并可在使用者操纵下完成特定动作的智能化、机械化的仿生机器人[5]。在CP康复领域，机器人可与特定任务结合，进行主、被动训练，帮助CP患儿改善特定的关节肌肉功能。下肢康复机器人的疗效已被多项研究证明，机器人辅助步态训练可改善CP患儿的步行速度，耐力和粗大运动能[6]。与人力康复相比，机器人康复具有一些优势，包括安全性、参与性、可重复性、步态一致性以及节约人力[7]。但价格高昂在一定程度上限制了其在临床上的应用。本文重点综述下肢康复机器人在CP患儿中的应用进展、疗效及其存在的问题。

1 下肢康复机器人概述

1.1 发展历史 20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国、加拿大在康复机器人方面的研究处于世界领先地位。随着材料、控制系统、传感等机器人技术飞速发展，智能化、机械化、自动化程度的提高，1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。德国的步态训练机器人(Gait trainer I)可改善患儿的站姿。1999年Lokomat推出一种典型的减重式外骨骼机器人更是将下肢康复机器人的发展推向新的台阶，驱动自主带动人体下肢在跑步机上进行减重步态康复训练，提供合适的负重，可改善患儿步态，至今仍是应用最广泛的下肢康复机器人[8]。目前，以上两种机器人已有儿童型，用于CP患儿的步态训练。

1.2 应用方向 下肢康复机器人主要针对三种应用方向而开发。第一，主要应用于步态康复，即帮助运动障碍患儿进行骨骼肌肉力量、运动控制和步态康复训练。第二，主要应用于人体运动辅助，针对瘫痪而失去下肢运动能力的患儿，帮助其恢复站立、坐下、走路等日常活动能力。第三，主要应用于增加健全人群的身体力量，主要用于军事、救灾等[9]。

1.3 功能分类 下肢康复机器人根据功能通常分为两类：① “末端执行器型”，如Gait Trainer(德国)和LokoHelp(美国)，末端执行器型机器人作用在足部，通过足部关节的运动带动患者的全身肌肉恢复运动。② “外骨骼型”，如ReWalk(德国)和Lokomat(瑞士)，外骨骼型机器人是作用在双腿，帮助没有站立能力的CP患儿实现坐、站、行走、上下楼梯等基本身体活动[10]。

1.4 国际常见机型及应用分类 目前国际上有多种类型下肢康复机器人已投入临床，逐渐取代传统康复训练器械。按应用方向，可将国际上常见的下肢康复机器人分为3类。①应用于步态康复：如日本Cyberdyne公司研发的HAL机器人，可通过动力单元及各类传感器等，作用于髋、膝、踝关节，可根据患儿重心变换进行实时辅助。HAL的独特优势是具有生物意识控制系统和自主控制系统[10-11]。HAL配合理疗，可使CP患儿步态得到明显改善[12]。与Lokomat不同，HAL是可穿戴的机器人，因此可以在跑步机以外的场地上进行步态训练。此外，HAL可以进行除步行以外的训练，例如站立，爬楼梯和下肢肌力锻炼。②应用于运动辅助：如新西兰Rex Bionic公司研发的Rex机器人，主要针对下肢松弛和瘫痪的患儿，在髋、膝关节处助力，能将患儿从坐姿提升到机器人支撑的站立姿势，配合使用拐杖，使其能够参加由治疗师设计的步行和伸展运动，以帮助实现康复目标[13]。同样还有以色列ReWalk Robotics公司研发的ReWalk机器人[21]以及美国Parker Hannifin公司所研发的Indego机器人[18]，可通过传感技术来判断下肢运动状态，配合拐杖提供有力的髋部和膝关节支持，使患儿能够站立，行走，转身以及上下楼梯。③同时应用于步态康复和运动辅助：如美国Ekso Bionics 公司研发的Ekso GT，集以上两类机器人的功能，在髋、膝关节处助力同时配合使用拐杖，帮助患儿减轻体重、控制平衡，借由传感器与软件监测，不断调节腿部运动，最大程度减少代偿性步态[19]。因此，具有不同步行能力的CP患儿可以选择不同的下肢康复机器人进行辅助治疗。可独立行走但步态不佳的患儿，可以选择HAL、Lokomat等机器人进行系统的步态康复训练，纠正其不良姿态；而无法独立行走的患儿则可以借助ReWalk、Rex等机器人辅助步行，重获行走能力，来提高日常生活活动能力。

2 下肢机器人促进脑瘫患儿步行能力恢复的机制

机器人神经康复技术的应用在一定程度上是基于神经可塑性理论，即通过行为训练恢复神经网络[22-23]。训练中，CP患儿以符合生物力学的正确方式反复练习步行运动，来诱导运动皮层表现的改善，恢复并增强肌肉群的能力，改善CP患儿协调性。康复机器人在减重状态下辅助CP患儿模拟正常步行周期，强化了外周深浅感觉的刺激[4]，同时康复治疗师设计个性化运动康复方案以适应不同CP患儿的特殊需求和能力，并且通过下肢康复机器人测量和量化运动的可能性，跟踪CP患儿的进展，从而改善预后[24]，改善的程度取决于练习量、重复次数以及特定任务[7]。部分康复机器人自带驱动，如ReWalk可以提供强有力的支撑作用，配合拐杖可以实现坐、站立、行走等。将机器人技术添加到康复干预措施中，最重要的优势之一是其能够提供高强度和高剂量的培训，同时也能减轻康复治疗师的劳动负担[23]。

3 下肢康复机器人在脑瘫患儿步行能力康复中的作用

近年来，下肢康复机器人对CP患儿步行能力的改善作用被越来越多的临床试验所证实。在康复治疗过程中，应用下肢康复机器人进行科学合理的训练，可以有效帮助CP患儿改善下肢关节活动，改善各种不良步态。

3.1 改善下肢关节活动 痉挛型是CP中最常见的类型。CP患儿由于长期的肌肉痉挛及肌力不平衡，往往继发不同程度的固定性畸形, 甚至骨性畸形[24]。下肢康复机器人可以在踝、膝关节处稳定关节活动，被动牵伸痉挛肌肉，减轻异常肌张力，同时提供助力，改善CP患儿下肢运动。 Lee等[25]招募了8名双下肢痉挛的CP患儿(足趾朝内步态)，使用踝/膝关节智能机器人伸展和新型离轴椭圆机训练器，执行特定对象的伸展和枢轴离轴神经肌肉控制训练程序(subject-specific stretching and pivoting off-axis neuromuscular control training，SS-POINT)进行了为期6周的神经肌肉控制训练，结果显示训练后步态功能的改善和足趾朝内角度的减小，还伴随着膝关节僵硬度的降低以及肌张力、关节活动度、Berg平衡量表得分、本体感觉敏锐度和下肢神经肌肉控制的改善。Lerner 等[26]基于标准的踝足矫形器(ankle foot orthosis，AFO)设计出新的外骨骼机器人，具有可调节的踝关节与膝关节，试验招募了7名粗大运动功能分级系统(gross motor function classification system，GMFCS)I-II级患儿，结果显示该下肢机器人可改善膝关节的伸展同时又不减少骨骼肌活动，并改善了蹲伏步态。Lerner等[27]在另一项试验中设计了动力型足踝辅助装置，用以增加踝关节的推进力，改善下肢姿势并减少足底屈肌、腓肠肌的异常活动。Wallard 等[28]招募了30名GMFCS II级的8～10岁的CP患儿，试验组16名使用Lokomat儿童版(最早适用于4岁)进行4周训练，对照组仅进行治疗师指导进行的物理治疗或作业治疗，结果显示试验组与对照组相比，红外线扫描下肢关节运动学数据，步行速度、步长以及步态对称性显著改善，粗大运动功能测试(gross motor function measure，GMFM)D维度(站立)和E维度(步行/跑步/爬行)同样得到改善，动态姿势平衡得到控制。

3.2 改善步态 CP患儿存在马蹄内翻足步态、偏瘫步态、蹲伏步态等异常步态[29-30]。下肢康复机器人可以提供程序量化训练，通过各种传感器进行反馈，实时纠正步态偏差。Wu 等[31]招募了23名GMFCS I-IV级的4～16岁CP患儿，试验组11人使用三维电缆驱动机器人步态训练系统(three-dimensional cable-driven robotic gait training system，3DCaLT)进行为期6周的训练，结果显示试验组步行速度和6分钟步行距离有显著增加。Yazici等[32]选取了24名GMFCS I-II级的5～12岁CP患儿，试验组12人使用Innowalk Pro进行机器人步态训练(robot assisted gait training，RAGT)3个月，干预后显示痉挛侧与非痉挛侧肌肉氧合有所增加，Berg平衡量表得分、10米步行速度、6分钟步行距离、GMFM-88得分、GMFM-D、E表现显著改善。Wallard等[33]在另一个试验中招募了30名GMFCS II级的8～10岁CP患儿，试验组接受Lokomat治疗4周，并且使用红外照相机记录三维的全身运动数据用于进行步态分析，结果显示上半身如头部稳定性、上臂摆动、躯干控制显著改善，有利于控制身体平衡。Lefmann 等[34]报道了466名GMFCS多数为I～IV级的5～17岁CP患儿，穿戴Lokomat或Gait Trainer GT I下肢康复机器人，结果显示RAGT有益于改善步态，包括速度、站立能力和步行距离。Van等[35]提供的一些数据表明，病情较重的CP患儿可能比病情较轻的患儿受益更多，尤其是在步行相关结局指标方面。

4 脑瘫下肢康复机器人存在的问题和发展趋势

高速发展的科学技术为康复治疗提供了创新的手段，将康复事业的发展推到了智能化、机械化的全新高度。目前下肢康复机器人技术已经较为成熟，针对CP患儿的机器人种类繁多，但也存在以下问题：①设备笨重[11-19](约14kg及以上)，不便于患儿穿戴；②驱动的体积、效率、耐用性均欠佳[9]；③人机接触面易出现摩擦伤、过敏红斑等[36]；④受限于电池电量[11-19](约1～2h)，步行时间短；⑤价格昂贵；⑥使用环境受限[36]。此外，目前尚无系统指标和具体治疗方案来评估和指导患儿使用下肢康复机器人[37-38]。国内专家在积极研发各种新型下肢康复机器人，期待该领域有望产生更多突破性进展，生产出更加轻便、性价比高、智能的下肢康复机器人，为CP患儿提供更好的服务。同时也期待康复医疗工作者早日制定科学有效的、统一的下肢康复机器人评价标准和治疗方案。

5 小结

下肢康复机器人越来越广泛应用于CP患儿的康复治疗中。大量临床证据显示，对于CP患儿而言，下肢康复机器人能够科学有效且安全的改善其步行能力，继而提高生活质量，促其更好地融入社会。可以预测，随着下肢康复机器人功能完善、性能和可靠性的提高，在不久的未来，下肢康复机器人将会被更广泛地应用于CP等儿童疾病的康复治疗。