上肢康复机器人在脑卒中后运动功能障碍中应用研究进展

何友泽 宋健 吴劲松

(福建中医药大学，福建 福州 350122)

近年来，脑卒中发病率呈高增长态势，脑卒中致残率居高不下，已成为影响国计民生的重大公共卫生问题〔1〕。脑卒中发生后约80%的患者出现上肢运动功能障碍，且4年后仍有50%的患者持续存在上肢功能问题〔2〕。脑卒中后的上肢功能障碍严重地影响患者的日常生活、学习、工作等方面，很大程度上降低了患者的生活质量。

机器人辅助技术是近年来脑卒中后患者上肢功能康复的研究热点。由于传统的上肢功能康复方法如运动再学习、神经发育治疗、本体感觉神经肌肉促进技术等〔3〕，存在费时、耗力，疗效受治疗师水平限制等不足，难以满足现有的康复需求〔4〕。机器人辅助技术的兴起和新技术的应用为脑卒中后偏瘫患者的上肢功能康复提供了新的方式，可以弥补传统康复方法的缺陷。

1 上肢康复机器人在脑卒中后运动功能障碍中的应用

1.1常规上肢康复机器人 上肢康复机器人是通过机械辅助带动患者进行重复的上肢活动训练，以促进患者上肢功能恢复的一种医疗机器人。机器人辅助训练包含了运动学习的关键要素，可为偏瘫患者提供交互式、可量化、高重复的训练方案〔5〕。研究表明，上肢康复机器人训练可改善脑卒中患者的上肢运动功能〔5,6〕。Bertani等〔7〕的Meta分析纳入了14项随机对照研究，发现与常规康复训练相比，上肢康复机器人训练对于上肢运动功能的恢复更加有效，特别是针对慢性脑卒中患者。同时也发现高重复、以任务为导向的机器人辅助训练有助于大脑损伤的恢复，并促进大脑运动皮层的重组。Susanto等〔8〕将机器人辅助技术应用于脑卒中患者手指灵巧性的康复训练，其研究结果表明与常规手部康复训练相比，持续20次1 h的机器人辅助手指运动训练对于患者手部灵巧性及抓握、二指捏和三指捏动作的改善效果更佳，训练效果可维持6个月，且6个月后仍有44%～67%的患者功能改善超过了临床评分的最小临床意义变化值。然而，由于传统的上肢康复机器人训练形式较为单一，大多仅进行简单的重复训练，患者在训练过程中感觉缺乏趣味性，难以调动其训练积极性，从而限制了其临床疗效。近年来，随着虚拟现实(VR)技术、肌电反馈、运动想象(MI)等新技术的应用，上肢康复机器人的训练形式与训练内容得到进一步扩充，为脑卒中后运动功能障碍的康复提供了更多选择。

1.2基于VR技术的上肢康复机器人 基于VR技术的上肢康复机器人是通过上肢康复机器人带动患肢，并在模拟日常生活的环境下，进行上肢功能训练的康复设备。

VR技术可以给予患者实时逼真的视觉、听觉及触觉反馈，为患者创建更加丰富、安全的训练场景〔9〕，并可激励其重复地训练，从而提高其训练效果。Grimm等〔10〕利用外骨骼机器人的辅助，让患者在激励式的虚拟环境中进行以任务为导向的伸手抓握训练，要求患者根据虚拟环境提供的反馈信息相应地调整上肢动作。持续4 w共20次的训练干预使患者肩、肘和腕关节的运动准确性、运动范围和运动协调性均得到显著改善。陈泽等〔11〕研发的三自由度主动式上肢康复机器人，通过3D漫游等虚拟环境实现沉浸式体验，同时上肢机器人可通过引导能力较弱或不能完成自主运动的患者进行主动运动，促进患者主动参与。Patel等〔12〕认为针对发病时间小于1个月的脑卒中患者，连续8次在每天3 h常规训练基础上增加1 h的基于VR模拟工作场景的机器人辅助任务训练，可更有效地改善患者的上肢运动功能评分(FMA)和腕关节主动关节活动度。

VR训练的作用机制可能是通过增加多感官反馈和对运动表现的认识来刺激大脑皮层的重组，激活了患者对侧的初级感觉运动皮质、双侧辅助运动区和同侧的小脑，同时消除运动前区和辅助运动区的异常激活〔13～15〕，从而提高了上肢功能。

基于VR技术的上肢康复机器人实现了多感官综合干预治疗的效果，为患者创造各种日常生活活动场景，并通过视、听、触觉的反馈带来身临其境的虚拟生活与训练体验，从而有助于脑卒中后上肢运动和感觉功能的恢复〔9〕。但目前VR机器人用于康复评估与训练的精准性需要更多研究来证明，因此发展智能化的VR机器人进行脑卒中患者的诊疗和提高机器人评估与训练的准确性仍是未来的研究重点。

1.3基于肌电反馈的上肢康复机器人 脑卒中后上肢运动功能障碍的患者常有部分残存肌力，其可引起肌电信号的改变〔16〕，但却无法支持其完成实际运动〔17〕。基于肌电反馈的上肢康复机器人正是通过采集患者上肢肌群的肌电信号，来识别患者的运动意图，并通过结合电刺激和机器人辅助技术，带动患者进行主动训练，完成训练任务〔18〕。

通过肌电反馈机器人的辅助训练可以有效地改善脑卒中患者上肢运动功能〔19,20〕和肌肉协调性〔21〕。Makowski等〔16〕的研究发现结合功能性电刺激的肌电反馈上肢康复机器人可改善脑卒中后患者的肩、肘关节功能，并指出通过机器人的辅助可有效减少患者肩关节外展所需的力量，从而间接地减少偏瘫侧上肢异常协同模式的发生。Qian等〔22〕将结合低频电刺激的肌电反馈机器人用于慢性脑卒中患者上肢不同关节的康复训练，发现其对上肢远端腕、指关节运动功能的恢复效果明显优于近端关节，并可有效地缓解腕、手指部肌肉痉挛，持续5 w共20次的训练，其效果维持可超过3个月。

利用健侧上肢的肌电信号来诱导患侧上肢的运动是肌电反馈训练的新方案。Leonardis等〔23〕提出一种肌电驱动的手部外骨骼机器人，通过采取健侧手的肌电信号，驱动机器人带动偏瘫手的抓握训练，患者可改变健侧上肢的抓握力量来调节机器人辅助力量。随着技术的发展，基于肌电信号反馈的机器人辅助训练方案也逐渐智能化。Burns等〔24〕研发的肌电驱动上肢康复机器人利用机器学习的神经网络来自动学习三个双向控制命令相对应的肌肉激活模式，实现了肌电信号阈值的自适应调整，其神经网络以休息——任务训练交替的方式积累训练数据。该设备可通过健侧上肢的肩部、肘部、腕部的肌电信号反馈分别控制患侧拇指、食指和其余三指来完成手部打开和抓握动作，其动作成功率可达91.7%。机器人设备的智能化将使训练方案的选择和调整更加准确、简单，因此自适应的智能化机器人设备研发及临床应用可能是未来研究的一大热点。

肌电驱动的上肢机器人通过检测肌电信号可以提高训练的精确性，为患者提供合适的辅助力量，同时促进患者主动参与训练。但目前个体肌电信号的差异及不同操作导致电极片的位置差异均可能对训练产生干扰〔17〕，因此未来的研究可能从个体肌电信号差异与机器人辅助训练疗效的相关性入手。

1.4基于MI-脑机接口技术(MI-BCI)的上肢康复机器人 基于MI-BCI的上肢康复机器人是近年来上肢康复机器人发展的一大热点。MI是对指定动作进行重复的想象，实际上不需要进行任何动作〔25〕。MI对脑卒中患者的认知功能要求较高，且缺乏有效的监督和反馈方式〔26〕。而BCI通过采集脑电信号来监测运动想象过程，可对MI调节的脑功能进行实时定量监测〔27〕。研究表明MI与BCI结合对脑卒中后运动功能障碍具有显著的改善作用〔25,27〕，而MI、BCI和上肢机器人的结合对比单纯上肢机器人训练能取得更好的训练效果。

Ang等〔28〕将MI-BCI控制的肩肘机器人训练与单纯肩肘机器人训练对于中重度脑卒中患者偏瘫上肢的疗效进行对比，经过4 w的干预，两组治疗效果相当。但12 w训练干预后MI-BCI组有63.6%的患者上肢运动功能得到改善，而单纯机器人训练组只有35.7%的患者得到改善。Ang等〔29〕的另一项研究认为MI-BCI机器人对于慢性脑卒中患者偏瘫侧上肢腕、手部控制能力具有良好的训练效果。持续18次60 min的MI-BCI机器人训练可提高患者抓握释放动作的运动表现，其训练效果可持续24 w。Frolov等〔30〕的研究发现通过10次的MI-BCI机器人训练可改善患者的握力和捏力，而普通机器人训练则无此效果。并且MI-BCI组患者的手臂动作调查测试表(ARAT)和FMA评分的最小临床意义变化值分别是普通机器人训练组的4.3倍和2.3倍。因此认为MI-BCI组对于脑卒中患者的最小治疗获益优于普通的机器人训练。

通过MI、BCI、上肢康复机器人三种技术的结合，患者获得了更优的训练效果。功能性磁共振成像(fMRI)研究显示其作用机制可能是MI通过大脑内在功能连接的重组，尤其是与MI、学习有关的同侧大脑区域，来促进运动功能的恢复〔25〕。其具体的机制也需要未来的研究进一步探索。

虽然脑电信号可在一定程度上反映大脑的活动状态，但由于脑电信号强度和特异性较低，易受肌电信号干扰等原因〔17〕，导致脑电反馈的准确性和稳定性不佳，因此更需要未来的技术和研究来确保脑电信号的精确检测。

1.5基于远程技术的上肢康复机器人 互联网远程技术与康复机器人的融合，为脑卒中患者的家庭——社区康复提供了新的方式，康复治疗师通过互联网远程操控机器人，可依据患者的功能状态，制定个性化的康复训练方案。

基于远程技术的上肢康复机器人可用于脑卒中后康复训练，也为运动功能的评估提供新工具。Linder等〔31〕的研究发现连续8 w应用基于家庭训练的远程康复机器人辅助训练可有效改善脑卒中患者(发病时间小于6个月)的抑郁状态和生活质量。治疗师通过互联网修改训练方案，并远程监督患者进行每周5次，每次2 h的机器辅助上肢训练和1 h常规家庭康复训练。8 w后抑郁评分(CES-D)大于16分的患者数量减少了13.4%。其原因可能是治疗师定期的随访和交流，增加了患者的社交渠道，从而有助于减少脑卒中后抑郁的发生。Baur等〔32〕提出一种机器人辅助远程康复系统，通过两个上肢机器人设备实现治疗师和患者之间远距离的触觉交互。治疗师可通过自身手臂的机器人感受患者手臂运动的局限性，识别患者上肢的异常运动模式，同时在点对点任务中，可获取关节位置，关节间运动协调性、准确性及流畅性。目前此机器人评估可作为治疗师评估的一种补充，但并非替代方式。未来的研究可能通过大数据和人工智能(AI)提取关键运动参数，使远程机器人评估更加准确，成为一种独立的评估工具。

远程康复技术辅助训练的模式可以消除地域空间上的阻碍，解决患者出院后康复难的问题。但目前需要患者家中配有训练设备，从而增加了康复成本，同时对患者或照顾者的知识水平要求较高，需要熟练操作才能与治疗师进行交流。因此，未来的研究也需要机器人设备更加智能化和家庭化，让远程机器人真正进入社区，进入家庭，为患者提供更加便捷和优质的康复服务。

2 上肢康复机器人在脑卒中后继发功能障碍中的应用

上肢机器人除了能直接改善脑卒中引起的上肢运动障碍外，对其继发的多种功能障碍，如肩关节半脱位、肩痛、肌痉挛等〔33〕，也具有良好的预防和改善作用。

肩关节半脱位、肩痛是脑卒中后常见的并发症，半脱位主要是由肩部周围肌肉无力引起，而肩痛主要由肩关节的僵硬或半脱位导致〔34〕。肩痛的发生不仅影响脑卒中后康复训练〔35〕，同时也严重地影响了患者的生活质量〔36〕。Kim等〔37〕的研究利用肩部辅助训练机器人治疗亚急性脑卒中患者的肩痛问题。其结果显示相比于常规康复训练组，连续20次30 min机器人辅助可更加显著地改善肩关节被动关节活动度和主观疼痛程度，且其训练效果可维持4 w。孙丽等〔38〕认为机器人辅助结合上肢常规康复训练可以治疗脑卒中后肩关节半脱位。机器人的辅助使患者的上肢处于减重状态，使半脱位的肩关节回到复位状态，在此状态下进行训练可以预防并减轻肩痛，肘关节也可稳定地进行拮抗肌的往复运动，并且肩胛骨充分前伸可以预防肩关节挛缩和肩痛的形成。

痉挛在脑卒中后第一年的发生率为25%～43%，痉挛的发生可导致肌肉短缩、关节挛缩和姿势异常等，严重地影响了患者的穿衣、洗漱等日常活动，在降低患者生活质量的同时，加重了照顾者负担〔33,39〕。Gobbo等〔40〕利用机器人辅助训练针对首次发病的脑卒中患者进行20 min的手部被动运动训练，训练后患者腕、手指部位的改良Ashworth评分显著减少，痉挛有所改善，且患者主诉腕、手部的沉重感和僵硬感明显减轻，其中存在上肢疼痛患者中有三分之二自述手部疼痛减轻，同时近红外光谱检查显示患侧上肢的前臂血流灌注发生明显改善。Lee等〔41〕表明上肢康复机器人通过拉伸肩、肘部的痉挛肌和促进拮抗肌的收缩可以缓解脑卒中后患者上肢屈肌痉挛并改善上肢关节活动度。但在相同干预时间下，机器人辅助训练因其训练的高重复性，对痉挛具有更好的缓解作用。机器人辅助下的上肢运动训练能有效地缓解屈肌痉挛和僵硬的问题，同时患者上肢功能状态的恢复也有利于患者进行主动训练。

综上，上肢机器人辅助训练结合不同技术的综合干预方法因训练侧重点不同，具有不同的训练优势。在脑卒中患者中应用机器人辅助训练可以改善其上肢运动功能、上肢肌力、日常生活活动能力和生活质量〔42〕，同时机器人设备的训练反馈和新颖性也有助于提高患者的训练动机和参与度。