康复机器人在脑性瘫痪儿童肢体康复中的应用进展

苏予洁，裴菊红，钟娟平，谢琪，南锐伶，王兴蕾，2b，豆欣蔓，2b

（1.兰州大学 护理学院，甘肃 兰州 730011；2. 兰州大学第二医院a.重症医学科；b.护理部，甘肃 兰州 730030）

脑瘫患儿常由于疾病的原因所出现的非特征性身体姿态和不规则步态使他们在运动控制方面面临巨大的挑战。例如：出现上下肢协调和发力方面的损害、步态障碍、四肢僵硬，以及不自觉地重复地移动肢体可能使他们难以行走或站立， 严重影响患儿的日常生活以及活动[1-2]。 近年来，国外多项研究显示：康复机器人协助脑瘫患儿进行肢体康复训练不仅可改善患儿的自主控制能力， 并且可有效提高功能性任务的表现和步行耐力[1，3]。 康复机器人技术作为一种新兴康复方式， 相较于传统的康复方式有着独特的优势，因此已成为国内康复治疗的研究热点。笔者综述机器人在脑瘫患儿康复中的应用， 并进行系统的总结与分类， 以期为国内开展以机器人技术为基础的临床康复治疗与护理提供信息支持。

1 康复机器人的概述与分类

康复机器人技术的研究起步于20 世纪80 年代左右，因其具有安全性、参与性、可重复性、步态一致性和节约人力等优势， 被广泛应用于医学护理的各个领域的治疗研究中[4-5]。 除了康复治疗领域的应用外，机器人技术还可应用于精神心理治疗领域，如老年照护、自闭症照护以及社交场景等[6]，并且均在多个方面展现出其独有的优势。目前，机器人技术工具（robotic technological tool, RTT）主要以2 种形式应用于上下肢的康复治疗， 分别是外骨骼类型的RTT（exoskeletal-type，RTT） 和末端效应器类型的RTT（end-effector-type， RTT）[7]。

1.1 外骨骼类型机器人技术工具 外骨骼类型的RTT 混合了机械和电子部件系统， 构成了一个机电一体化装置，不仅可以穿在身上，还可执行患者所需要练习的各种类型的运动以及动力活动。此外，外骨骼RTT 可完全覆盖肢体， 无论是上肢还是下肢，都遵循并复制人体所测量出的数据特征，完整的运用至康复训练的每一环节[7-9]， 代表性机器人有walkbot、Lokomat 和ReWalkTM[10]。

1.2 末端效应器类型机器人技术工具 末端效应器类型的RTT 是将末端执行器与末端肢体相连接，通过末端带动近端运动[11]，以此激活肢体原本地运动学形式， 减少不自然地约束。 末端效应器类型的RTT 也可应用于上下肢的康复[12-13]， 代表机器人有Gait Trainer、InMontion2 等。 当末端效应器类型的RTT 与特定的软件、 虚拟现实技术 （virtual reality,VR）、增强现实技术（augmented reality, AR），以及在保护下的沉浸式虚拟环境中康复为洞穴自动虚拟环境（cave automatic virtual environment, CAVE）相结合时，可发挥出更大的康复优势[7]。

2 康复机器人技术在脑瘫患儿上下肢康复中的应用及效果

目前，脑瘫患儿肢体康复治疗机器人技术可分为上肢康复机器人和下肢康复机器人。 常用的上肢康复机器人包括手臂机器人InMotion2、VR 技术结合康复机器人；下肢康复机器人包括Lokmat 康复训练机器人、德国步态训练机器人Gait Trainer GT I。

2.1 上肢康复机器人在脑瘫患儿上肢康复中的应用 上肢功能障碍（upper extremity dysfunction, UE dysfunction）以缓慢和生硬的伸手，无法抓握和操作物体为特征，是脑瘫患儿常见的临床症状之一。根据其严重程度， 可对患儿的日常生活造成不同程度的负面影响，并增加家庭照顾者的负担[14]。 国外学者Beckung 等[15]调查显示，176 例5～8 岁各种类型的脑瘫患儿中，由于存在四肢瘫痪、肌张力低等运动障碍问题，63%的患儿在教育环境中的参与受到限制，57%的患儿社会活动中的参与受到限制； 我国学者陈蓉等[16]通过对148 例脑瘫患儿家庭照顾者的照顾负担现状进行调查， 发现脑瘫患儿家庭照顾者照顾负担得分为（42.05±12.36）分，处于重度水平。 因此，随着机器人技术的发展， 将康复机器人应用于脑瘫患儿上肢功能障碍有助于提高患儿的运动表现，促进患儿肢体康复，以下介绍2 种机器人的应用。

2.1.1 手臂机器人InMotion2 InMotion2 (interactive motion technologies inc, watertown, ma,USA) 是MIT-MANUS 手臂机器人的商业版本， 可以协助肩部和肘部的平面指向性运动， 应用于神经系统损伤后的康复[17]。 InMontion2 手臂机器人为末端效应器RTT 的一种， 患者可从机器人机身的电子屏幕获得康复训练游戏的画面， 遥控机器人手臂末端的一个手动操控杆操，以此进行康复训练。由于InMontion2手臂机器人会根据患者情况设置合适的康复训练目标以及易接受的声控系统， 因此易于儿童患者的操作和学习。 美国Fasoli 等[17]综述了儿科康复治疗领域中的新热点，其中指出，最早采用机器人辅助康复治疗技术的研究就是将InMotion2 手臂机器人应用到了上肢的康复训练中。 在1 项研究中[18]，22 例5～12岁脑瘫患儿通过使用InMotion2 进行康复游戏训练，每周2 次，持续8 周。在每次训练中，患儿使用麻痹手臂进行640 次重复的、 以目标为导向的平面伸展运动， 并根据需要使用InMotion2 机器人进行辅助练习。 结果显示， 患儿在治疗过程中变得更加投入，运动表现与能力有了明显的变化，不仅增强了肌肉力量，并且扩大了上肢的运动范围。另1 项针对康复机器人技术用于脑瘫患儿上肢功能疗效的系统评价结果显示， 采用InMotion2 手臂机器人训练6～8周后的患儿，肌张力下降和运动学变量（包括速度增加、持续时间减少、平滑度提高）均得到得到了改善，Fugl-Meyer 评定量表（FMA），上肢技能质量评定量表（quality of upper extremity skills test, QUEST），墨尔本单侧上肢功能评估量表， 伸手表现量表以及家长问卷的临床评估结局也得到了明显改善[19]。 尽管目前InMotion2 手臂机器人应用于脑瘫患儿的研究较少，但已有研究显示，采用InMotion2 手臂机器人训练相比传统的被动运动康复训练， 不仅提高了患儿进行主动运动的积极性，且康复效果肯定。

2.1.2 虚拟现实技术结合康复机器人 虚拟现实技术又称为VR 技术，于20 世纪60 年代提出，是由计算机模拟生成的一种虚拟世界环境， 用户可以通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感知功能与生成的虚拟世界产生人机交互[20]。 患儿使用VR 技术可以提高训练的积极性和自我效能感， 使他们能够参与适合其年龄的游戏，并产生更多的康复训练欲望[21]。 然而，对于脑瘫患儿来说， 单独使用VR 技术进行康复训练需要一个较高的运动水平， 这可以通过连接合适的机器人系统来实现。

触觉主机器人（haptic master）是由荷兰Moog 公司研发的与环形万向节相结合，一个6 自由度的导纳控制（力控制的一种）机器人，其目前已被广泛地应用在成人脑卒中患者的康复研究[22]。 Qui 等[22]于2009年将VR 游戏与触觉主机器人相结合， 创建了一个VR 游戏，患儿只需佩戴VR 眼镜并将患侧的手放入到触觉主机器人的触控点， 结合VR 眼镜中看到的游戏并重复的进行手部运动， 以此来完成上肢康复训练的效果，该模式被称为NJIT-RAVR 系统。 学者们从儿科康复机构的门诊中心招募了2 例患有继发于脑瘫的痉挛性偏瘫的儿童，1 例10 岁男孩和1 例7 岁女孩。患儿通过使用NJIT-RAVR 系统训练1 h，每周3 d，持续3 周，根据患儿治疗目标、耐受性和偏好进行4～5 次不同组合形式的模拟， 并通过不断修改游戏以增加难度，以此来提高患儿的康复能力。研究结果显示， 在触觉主机器人和VR 游戏相结合的情况下进行康复训练， 患儿表现出更大的活动能力，上肢的运动范围也有很大的改善。 此外，接受训练的患儿均表示无晕机的现象， 这可能是因为VR游戏提高了患儿对康复训练的兴趣和参与度， 以此激励患儿参与更多的训练。 另一项研究结果[23]显示，VR 技术结合触觉主机器人创造出的3 D 虚拟环境可提高脑瘫患儿的上肢运动能力， 尤其是在主动肩部外展和屈曲以及前臂上举方面表现出了明显的临床改善，并且无任何不良反应。随后，Qui 等[24]团队又对NJIT-RAVR 系统再次进行了临床验证研究，9 例脑瘫患儿在3 周内使用NJIT-RAVR 系统进行5 种不同组合的上肢模拟训练大约9～12 h。 结果显示，脑瘫患儿上肢功能的各评估结果以及运动学效果均得到了明显改善。

虽然VR 游戏与触觉主机器人相结合的康复训练形式对脑瘫患儿的上肢康复有效， 但该模式主要用于成人康复训练， 在脑瘫患儿的上肢康复中的应用尚缺乏高质量、大样本的研究。

2.2 下肢康复机器人在脑瘫患儿下肢康复中的应用 脑瘫患儿下肢障碍可出现无力和运动控制能力差，导致患儿出现行走不便，因此，改善患儿的下肢行走能力十分重要。相比传统的下肢康复训练，如治疗师指导进行的减重步态训练、平衡训练，以及使用矫形器治疗训练等[4]，使用康复机器人技术进行下肢训练，可以进行有指导的、特定任务的行走训练，劳动强度更低且针对性更强。 机器人辅助步态训练（robotic-assisted gait training, RAGT）是目前脑瘫患儿下肢康复训练的主要方式，包括Lokmat 康复训练机器人和德国步态训练机器人Gait Trainer (GT I)。但大多数应用于脑瘫患儿下肢康复训练的还是以Lokomat 为主。

2.2.1 Lokomat 康复训练机器人 1999 年, 瑞士Hocoma AG 公司推出了一种减重式外骨骼机器人为Lokomat，由一对步态矫形器、跑步机和悬吊减重系统组成， 其可以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， 提供一定的负重并改善患儿步态[25-26]。 德国学者Borggraefe 等[27]对Lokomat体重支持结合跑步机用于20 例双侧痉挛性的脑瘫患儿下肢功能康复的效果进行了评估。 患儿共接受了为期3 周的机器人辅助跑步机训练，每周4 次，每次约15 min。结果发现，采用Lokomat 体质量支持结合跑步机训练明显改善了患儿的步态模式、 行走速度和耐力。 Wallard 等[1]将30 例6～8 岁脑瘫患儿分为试验组和对照组，试验组使用Lokomat 儿童版（适用于4 岁以上） 辅助步态训练进行为期4 周康复治疗， 对照组也接受为期4 周的常规肢体或专业的康复治疗。研究结果显示，对照组使用Lokomat 辅助步态训练显着增强了下肢行走和站立的能力， 并且患儿下肢关节的平衡和运动范围得到了改善。 我国学者郑宏超等[28]将70 例4～8 岁脑瘫患儿随机分为试验组和常规组，2 组均持续干预3 个月，每日1 次，1次30 min， 研究Lokomat 配合运动疗法对脑瘫患儿步行能力的影响。 结果显示，与只接受运动疗法的35 例常规组患儿相比，接受Lokomat 配合运动疗法的35 例试验组患儿的踝关节主动关节活动度（AROM）及Berg 平衡量表（BBS）评分均高于常规组， 说明对脑瘫患儿Lokomat 配合运动疗法训练可改善和增强其步行与平衡能力。 然而，在Druzbicki等[29]1 项临床随机对照试验中，52 例6～13 岁脑瘫患儿被随机分为2 组，结果发现，使用Lokomat 康复训练的试验组和只接受理疗师传统康复训练的对照组脑瘫患儿下肢步态参数上无统计学显著变化。随后，另一项研究结果也表明， 采用Lokomat 辅助步态训练和传统康复治疗对于脑瘫患儿下肢行走能力的康复治疗效果几乎一致[5]。 这可能与研究样本量不同，治疗次数、治疗时间等存在差异有关。

尽管目前的研究对Lokomat 辅助步态康复训练的研究结果存在非一致性， 但其对于脑瘫患儿的康复应用效果是可以肯定的。因此，仍需要更多的临床试验明确其有效性。

2.2.2 德国步态训练机器人Gait Trainer GT I Gait Trainer GT I 是由德国的一家柏林康复设备公司Rehastim 生产的康复机器人， 其采用脚踏板与患者的双足交互的形式，主要强调重复连续的被动运动，属于较早期应用于的下肢康复机器人设备[26]。 在一项随机对照试验中[30]，18 例患有截瘫或四肢瘫痪的患儿被随机分为2 组，试验组接受了30 min 的重复性运动训练， 包括Gait Trainer GT I 以及10min 的被动关节活动和伸展运动；对照组接受40 min 的常规物理治疗，2 组患儿均在2 周的时间内总共接受10 次治疗。 研究采用10 m 步行测试、6 min 步行测试、儿童功能独立性评定量表（WeeFIM）和步态分析的表现对患儿治疗前后以及1 个月随访时的情况进行评估， 以此测试使用Gait Trainer GT I 进行的重复性运动训练是否能显著提高行走速度和耐力。 研究结果显示，使用步态训练器GT I 进行机器人辅助运动训练的儿童，在髋关节角度、步态速度和步长的运动学测量方面有明显的改善。Lefmann 等[31]发表的一篇针对儿童步态障碍机器人辅助步态训练效果的系统评价中指出，使用Lokomat 或者Gait Trainer GT I 机器人步态辅助训练有益于改善脑瘫患儿的步态，其中包括速度、站立能力和步行距离。 由于Gait Trainer GT I 的步态训练策略主要强调重复连续的被动运动，导致患者主动运动的参与度较低[26]，因此Gait Trainer GT I 在脑瘫患儿的临床康复治疗上相较于Lokomat 的应用较少，相对应的研究也少。

总之， 目前Gait Trainer GT I 一般与Lokomat 相结合应用于脑瘫患儿的康复治疗，或者是单独应用于成人脑卒中后患者的康复治疗[32-33]，但Gait Trainer GT I 在脑瘫患儿下肢康复治疗中的效果仍需进一步的改良应用与研究。

3 展望

根据当前国内外相关研究结果表明， 康复机器人技术能有效改善脑瘫患儿的四肢运动能力， 还能提高患儿的主动参与度， 为患儿的后续治疗与护理带来多种临床益处。相较于传统的康复训练模式，康复机器人技术具备以下优点：（1） 缩短治疗周期、提高康复效率。 由于康复机器人同步性和针对性的治疗特点， 可提高患儿的康复治疗效率， 从而促进康复。 （2）提供娱乐化的康复模式，增加患儿主动参与的积极性。与以往传统的康复训练相比，通过游戏结合康复训练的模式，不仅可激励患儿达到康复目标，并且可减轻患儿内心对于康复训练的担心与恐惧。（3）康复机器人的安全性良好，不良事件及不良反应少[34]。根据现有的研究表明，康复机器人进行辅助康复治疗对于脑瘫患儿的使用感受较好， 少有不良反应及不良事件的发生。

总体而言， 目前康复机器人技术用于脑瘫患儿康复治疗的研究仍存在一些不足之处， 未来还需从以下3 方面改进：（1）制定针对性的康复方案，根据患儿自身情况，对康复方案进行适当的调整，并深入研究康复机器人技术联合其他康复措施治疗脑瘫患儿的最佳康复方案。（2）重视患儿使用设备时皮肤护理的问题，康复机器人由于设备体积庞大，存在不便于患儿穿脱，或由于患儿皮肤娇嫩、摩擦导致接触面擦伤和过敏等问题[5，35]。 （3）增加研究对象的样本量，明确患儿最佳康复时间、频率以及强度，了解其作用机制[11]，最大程度确定其真实的康复效果。

综上所述， 为了更好地指导未来基于康复机器人技术的康复治疗与应用， 需要我国学者进一步深入研究， 在符合国情以及文化背景的情况下开展以及研发适合本国脑瘫患儿的新型康复训练模式，推动我国在脑瘫患儿康复研究领域的进展， 并带动人工智能学科、机器人学科、临床医学与护理学科等多学科的交叉融合发展， 使更多脑瘫患儿及家庭照护者受益于高科技时代下的新兴科学技术。