上肢机器人在脑卒中社区康复中的应用

摘 要 目前，由于社区康复的大力发展，智能化机器逐渐进入社区，为不同的患者提供个性化训练。在社区康复中，上肢机器人系统已被应用于脑卒中的康复训练。患者通过在社区进行长期训练，可改善上肢功能和提高生活质量。本文通过上肢机器人的分类、作用机制来探讨上肢机器人在脑卒中社区康复中的应用。

关键词 脑卒中；上肢机器人；康复治疗；社区

中图分类号：R743.3 文献标志码：A 文章编号：1006-1533（2024）14-0001-04

引用本文 陈慧婷， 李冰洁， 于海艳， 等. 上肢机器人在脑卒中社区康复中的应用[J]. 上海医药， 2024， 45（14）： 1-4； 44.

Application of upper limb robots in community rehabilitation of stroke

CHEN Huiting1， LI Bingjie1， YU Haiyan1， MIAO Chunxiao1， JIANG Congyu2

（1. Department of Rehabilitation of Jiangninglu Community Health Service Center of Jingan District， Shanghai 200040， China； 2. Department of Rehabilitation Medicine of Huashan Hospital Affiliated to Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT At present， due to the vigorous development of community rehabilitation， intelligent machines have gradually entered the community to provide personalized training for different patients. The upper limb robot system is applied to rehabilitation training of stroke in the community rehabilitation. Through long-term training in the community， upper limb function and quality of life can be improved. This article discusses the application of upper limb robots in stroke community rehabilitation through the classification and mechanism of upper limb robots.

KEY WORDS stroke； upper limb robot； rehabilitation training； community

脑卒中是一种突发性的脑血管疾病，其发病率居高不下，死亡率和致残率也相当惊人。脑卒中后遗留不同程度功能障碍，大约有75%的脑卒中患者在康复后仍然存在功能障碍，其中上肢运动功能受限占大多数，最终仅约20%的脑卒中患者在发病后6个月内可恢复部分上肢运动功能[1]。患者的日常生活和工作都极度依赖于上肢运动功能。上肢运动功能障碍将影响患者正常的生活、降低生活质量，同时也让患者无法回归社会工作，给患者的生活、经济和工作造成极大负担[2]。脑卒中患者在家人的陪伴下，在社区康复的过程中主要依靠治疗师的协助或指导，并结合物理治疗手段来完成康复训练。患者康复治疗的效果受治疗师给予的训练强度、患者能承受的训练时间和训练频率等因素影响，且由于我国康复专业发展较晚，导致目前社区康复治疗师数量缺口，社区康复无法满足对患者进行个体化、高频率、高质量的康复训练[3]。上肢康复机器人引进社区是一种创新的康复训练方式，在康复师数量不足的条件下，能够满足患者需求，为患者提供个性化、差异化的强化训练。此外，机器人还可以提供各种听觉、视觉、触觉等感觉运动反馈，帮助患者易化运动学习[4]。因此，上肢机器人开始应用于脑卒中的社区康复治疗，有效帮助患者改善上肢功能障碍和生活自理能力，对其回归家庭的社会意义重大。

1 上肢机器人在社区康复中的现状

2021年开始，上海市在“为民办实事项目”的基础上，相继建成多家示范性社区康复中心，以便为社区居民提供省时、经济、持续且智能化的康复服务。从而上肢机器人开始在社区康复治疗中得到应用。我国上肢机器人在社区康复领域的应用研究相较于国外相对较晚，目前一些康复机器人技术仍处于探索阶段或即将实现生产，因此在社区大规模推广并投入使用方面，上肢机器人仍然面临着诸多挑战[5]。在社区康复治疗中，老年患者占大多数，由于自身身体条件限制和抗拒心理，患者对使用康复机器人进行康复训练，缺乏主动参与和尝试康复机器人的康复治疗体验，导致对康复机器人的治疗效果不加认可。社区医院是居民家门口的医院，虽然便利于民，但康复科在服务功能和内容等方面仍不能满足社区居民就近康复的需求。目前，示范性康复中心虽较于其他社区康复科占地较大，但仍面临着治疗区域受限，上肢机器人体积大的缺点使其无法在社区康复中得到广泛推广与应用。

2 上肢机器人的分类

上肢机器人可以按照其运动意图和反馈方式进行分类。根据运动意图识别方法可以分为两种，一种是基于肌电信号的康复机器人系统，另一种是基于脑机接口的康复机器人系统。由于反馈方式的不同，康复机器人系统可分为基于机器辅助（RA）、基于功能性电刺激（FES）和基于虚拟现实（VR）三种类型[6]。

2.1 基于肌电信号的康复机器人系统

2021年香港中文大学Shi等[7]研发了一种基于用肌电信号来驱动的柔性手部康复机器人系统，2022年香港理工大学Nam等[8]研发了一款Exoneuromusculoskeleton的上肢康复机器人系统，它通过肌电信号驱动融合神经肌肉电刺激、柔性气动肌肉和外骨骼技术，以帮助康复患者恢复手部功能，旨在提供更全面的康复支持。但两个系统均显示该机器人系统的适用人群受到限制，安全性方面，增加患者患侧肢体受伤的风险。

2.2 基于脑机接口的康复机器人系统

Carino-Escobar等[9]研发出一款基于运动想象（MI）的上肢康复机器人系统，相较于肌电信号的康复机器人系统，该系统更适用于无残留肌电信号的重度偏瘫患者。基于该系统，因想象动作所引起的神经活动区域与实际执行该动作的区域高度相似[10]。因此，认为脑电信号的主动运动意图可以被视为脑卒中患者的康复效果和预后评估的一种客观指标，为康复治疗师提供了有价值的信息[11]。但同样，该系统也受到适用人群的限制。

2.3 基于机器辅助的康复机器人系统

根据机器人系统的功能形式，基于机器辅助的康复机器人系统可以分为末端牵引式、外骨骼式以及最近兴起的外肢体式三种。（1）末端牵引式：通过末端牵引式机器人，患者可进行被动康复训练，机器人将引导患者按照预设轨迹进行肩关节和肘关节运动，从而达到脑卒中患者康复需求的目标。（2）外骨骼式：可实现患者单关节独立运动和多关节复合运动，增加患侧各关节活动范围。（3）外肢体式：外肢体式是一种新型可穿戴式机器人系统[12]，这种机器人系统独立存在于人体自然肢体外，由于目前对上肢康复机器人系统的研究还处于初级阶段，虽然该机器人显示了增强和重塑运动及神经功能的潜力，但对患者刺激运动功能并不直接，因此缺乏直接证据证明其对脑卒中患者的运动康复训练有帮助。

2.4 基于功能性电刺激的康复机器人系统

通过施加一定程度的周期性电刺激，引发肌肉运动的发生，从而重建肌肉活动，改善患侧肢体功能。因此，治疗效果一定程度上受电流频率、治疗时间周期等参数影响。

2.5 基于虚拟现实的康复机器人系统

该系统模拟了多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为，为患者提供了与模拟多感官环境互动的机会[13]。基于虚拟现实的上肢康复机器人辅助康复训练，该系统相较于传统的物理疗法，能够显著提高脑卒中患者上肢的运动功能水平，改善患者上肢功能障碍[14-15]。

3 上肢机器人的工作原理

脑卒中后功能恢复的基础在于神经元结构的改变和再生[16]。脑卒中后，会有一些分子增加，这些分子可以促进树突、轴突和突触的结构重塑，同时也会有一些分子减少，这些分子会抑制轴突的可塑性。在存活的神经元中，会出现新的轴突和突触，经过选择和修剪后，部分失去神经连接的脑区会恢复一些连接[17-18]。脑卒中后，进行康复训练能够促进自身功能的快速恢复，同时也能通过外界刺激来引导形成备用和新生的神经回路，进而加强正确的神经环路、修复错误的神经回路[16]。

上肢机器人应用到脑卒中后上肢功能障碍患者的康复治疗中，可以帮助患者在减重状态下系统地进行功能性训练，促进大脑协调和适应能力恢复，加强训练效果，加速中枢神经系统的重塑。任务导向性训练是一种基于功能异常特征的个性化康复方案，通过选择相应的活动进行功能训练和治疗，以促进大脑功能的重组和恢复[19]。

4 上肢机器人的工作方法

上肢机器人的训练模式包括主动、助动和被动三种，针对不同肌力等级的患者，在增加阻力或减重辅助力和训练难度的前提下，可分别进行肩、肘、腕、手的单个关节各个方向运动和多关节协同训练，每一项关节活动训练都与患者工作中和日常生活中需要用到的上肢的动作紧密结合[20]。

4.1 主动模式

当患者的肌力达到3级及以上时，可以采用一种无限制方向的主动模式或抗阻模式，该模式要求患者积极参与肩部、肘部和腕关节的各个方向的活动。基于此，治疗师可以给患者采用任务驱动训练模式，并根据患者的上肢功能肌力、关节活动范围受限程度和患者自身康复需求，结合其个人兴趣爱好和回归家庭的需求，选择模拟日常活动或竞技类游戏，让患者进行虚拟作业进行训练，例如打乒乓球、射击、接水果、清洁窗户、烹饪等。这些不同程度的模拟活动和游戏可以针对患者上肢不同位置的关节受限程度和不同的肌肉力量进行有针对性的锻炼[21]，为提高患者的日常生活能力，将来回归家庭打下基础。

4.2 助力模式

患者肌力大于2级时可采用二维的助动训练模式，该模式下系统力臂为患者提供助力，在特定的方向下，系统帮助患者进行相应的训练，例如：击打物品、寻找动物等。该模式有利于改善患者关节的稳定性和改善患者的手眼协调能力，增强肢体运动的联动性。

4.3 被动模式

患者肌力小于2级及以下时可采用被动训练模式，在此模式下，由于患者肌力不够，上肢机器人系统不仅能够为患者提供手臂减重的辅助力，还能提供特定的模式如单侧忽略模式等。治疗师可以根据患者需要调整停留时间和方向角度大小，以最大化增加患者的主动参与度，从而有助于维持并改善上肢关节的活动范围和上肢肌肉力量[20]。此模式下需要患者视线注意显示屏，上肢根据机械臂的移动进行撞击物品的训练，而不是像传统的康复训练，进行反复多次枯燥的上肢训练。

上肢机器人在不同模式的训练过程中为患者提供不同的、积极的视觉与声觉反馈，从而抑制错误的运动模式，训练正确的运动再学习过程，同时记录训练前后的评估信息和训练信息，为治疗师评估患者康复程度提供精确的数据。

5 上肢机器人在脑卒中社区康复中的前景

上肢机器人是基于康复医学理论，运用机器人技术及计算机虚拟技术，通过模拟人体上肢运动规律，同时具有可调节上肢负重系统、多维训练空间、实时直观的反馈训练信息和全面的评估系统。上肢机器人模拟正常人体上肢的规范运动轨迹，提供高密度、高频率、多重复、趣味性的训练，从而增强患者的脑组织学习，以提高患者对漫长康复过程的积极性。此外，通过训练前后多次测量评估和量化运动追踪患者的康复训练效果，有效地实现了脑卒中患者康复训练的最优化[22]。通过上肢机器人的训练，患者上肢能够获得高强度、高重复度、高有效性的规范训练，从而增加患者上肢感觉功能的输入，改善神经传导组织，促进大脑中枢神经功能重塑，进而改善上肢运动功能[23-24]。朱朝叠等[25]报道上肢机器人用于脑卒中患者的康复阶段，可显著提升患者上肢运动功能，同时促进患者在回归家庭后对上肢的应用。上肢机器人应用于社区康复治疗中，可对脑卒中患者进行康复、娱乐、家居服务于一体的高质量治疗，同时将有力缓解社区社区康复治疗师的稀缺现状，提高社区康复中心服务水平，让居民在家门口就可以享受边界、优质、整合的康复服务，大幅度提高康复科的工作效率。

6 讨论

脑卒中患者在生命体征稳定后，就可以介入康复治疗训练。在脑卒中后的第3个月，神经重塑达到了至关重要的阶段，因此，在确保患者病情稳定的前提下，介入康复治疗，可以最大程度地促进脑卒中患者的肢体功能恢复[16]。针对改善脑卒中后的上肢的传统康复治疗有作业治疗、运动治疗、中医康复治疗、言语治疗、物理因子治疗等。但以上治疗均要求患者与治疗师配合，而训练时长及训练效果都与患者的身体状态、患者的心理状态以及治疗师的水平密切相关。因此，寻求一种全面而有效的康复训练方案已成为当前康复领域备受瞩目的议题[26]。随着当今社会脑卒中发病率越来越高且有年轻化趋势，传统康复治疗已经无法满足患者，因此上肢机器人在社区的应用逐渐提高。

上肢机器人将智能控制、游戏与肢体运动用机器人系统完美结合，可以帮助脑卒中患者完成各种康复运动，具有传统康复治疗训练无法比拟的优点：代替治疗师完成高强度、高密度的重复性劳动 ，弥补目前社区治疗师不足的现状，能够使患者得到客观、周期性、个性化的治疗。由于控制系统施加了精确的驱动力矩，对评估系统、治疗数据和运动参数以及训练次数详实记录，便于医生与治疗师根据数据做出客观评价，及时改善治疗方案。上肢机器人模拟正常机体的规范运动轨迹，提供高度密集、个性化的训练，可增强神经元突触的可塑性和重组过程，从而使患者在社区康复有信心并能进行长期的康复训练[27]。上肢机器人通过将康复训练项目转化为虚拟技术与上肢机器人相结合的游戏，患者在治疗过程中获得更多的乐趣，同时也增强了他们参与康复训练的积极性。训练内容更加贴近日常生活，为患者回归家庭和社会做准备，同时也增强了训练的目标导向性，可根据不同难度级别和关节活动范围进行特异化设置，循序渐进进行[28]。治疗师的双手被上肢机器人解放，从而消除了他们的经验和技术对患者疗效的影响，同时打破了患者对传统康复训练枯燥乏味的缺陷，大大提高了训练效率和训练效果[29]。

社区因其地理优势，对脑卒中患者能够长期、稳定地进行康复训练提供了便利条件，减轻患者及家属经济负担。社区康复以其经济、便捷的优势，目前正在我国大力推行中。作为回归家庭和社会的必不可少的一部分，社区康复已被研究证实了，对患者的改善功能、提升患者生活质量作用明显[30]。脑卒中后早期介入、有效、正确的康复功能训练能加快机体功能恢复进程，减轻功能残疾，节约社会资源[31]。大量的研究表明，将上肢机器人系统应用于社区康复，同时与传统康复训练相结合，能够更有效地改善患者上肢运动功能障碍，缩短其运动功能的恢复时间，从而有效提高脑卒中患者在社区康复中的效率[32-33]。因此，上肢机器人在脑卒中患者社区康复治疗的过程中必不可少。依托社区康复具备的便利性、有效性特点，减轻了患者及其家属的经济、精神压力，从而提高了患者生活质量及家庭满意度[34]。患者身心压力减少的同时，其康复治疗训练的将达到更好的效果，加快患者运动功能的恢复，达到尽早回归家庭，回归社会的目标。

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