何友澤 宋健 吳勁松

(福建中醫(yī)藥大學(xué)，福建 福州 350122)

近年來，腦卒中發(fā)病率呈高增長態(tài)勢，腦卒中致殘率居高不下，已成為影響國計民生的重大公共衛(wèi)生問題〔1〕。腦卒中發(fā)生后約80%的患者出現(xiàn)上肢運(yùn)動功能障礙，且4年后仍有50%的患者持續(xù)存在上肢功能問題〔2〕。腦卒中后的上肢功能障礙嚴(yán)重地影響患者的日常生活、學(xué)習(xí)、工作等方面，很大程度上降低了患者的生活質(zhì)量。

機(jī)器人輔助技術(shù)是近年來腦卒中后患者上肢功能康復(fù)的研究熱點。由于傳統(tǒng)的上肢功能康復(fù)方法如運(yùn)動再學(xué)習(xí)、神經(jīng)發(fā)育治療、本體感覺神經(jīng)肌肉促進(jìn)技術(shù)等〔3〕，存在費(fèi)時、耗力，療效受治療師水平限制等不足，難以滿足現(xiàn)有的康復(fù)需求〔4〕。機(jī)器人輔助技術(shù)的興起和新技術(shù)的應(yīng)用為腦卒中后偏癱患者的上肢功能康復(fù)提供了新的方式，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)康復(fù)方法的缺陷。

1 上肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中后運(yùn)動功能障礙中的應(yīng)用

1.1常規(guī)上肢康復(fù)機(jī)器人 上肢康復(fù)機(jī)器人是通過機(jī)械輔助帶動患者進(jìn)行重復(fù)的上肢活動訓(xùn)練，以促進(jìn)患者上肢功能恢復(fù)的一種醫(yī)療機(jī)器人。機(jī)器人輔助訓(xùn)練包含了運(yùn)動學(xué)習(xí)的關(guān)鍵要素，可為偏癱患者提供交互式、可量化、高重復(fù)的訓(xùn)練方案〔5〕。研究表明，上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練可改善腦卒中患者的上肢運(yùn)動功能〔5,6〕。Bertani等〔7〕的Meta分析納入了14項隨機(jī)對照研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練相比，上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練對于上肢運(yùn)動功能的恢復(fù)更加有效，特別是針對慢性腦卒中患者。同時也發(fā)現(xiàn)高重復(fù)、以任務(wù)為導(dǎo)向的機(jī)器人輔助訓(xùn)練有助于大腦損傷的恢復(fù)，并促進(jìn)大腦運(yùn)動皮層的重組。Susanto等〔8〕將機(jī)器人輔助技術(shù)應(yīng)用于腦卒中患者手指靈巧性的康復(fù)訓(xùn)練，其研究結(jié)果表明與常規(guī)手部康復(fù)訓(xùn)練相比，持續(xù)20次1 h的機(jī)器人輔助手指運(yùn)動訓(xùn)練對于患者手部靈巧性及抓握、二指捏和三指捏動作的改善效果更佳，訓(xùn)練效果可維持6個月，且6個月后仍有44%～67%的患者功能改善超過了臨床評分的最小臨床意義變化值。然而，由于傳統(tǒng)的上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練形式較為單一，大多僅進(jìn)行簡單的重復(fù)訓(xùn)練，患者在訓(xùn)練過程中感覺缺乏趣味性，難以調(diào)動其訓(xùn)練積極性，從而限制了其臨床療效。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)、肌電反饋、運(yùn)動想象(MI)等新技術(shù)的應(yīng)用，上肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練形式與訓(xùn)練內(nèi)容得到進(jìn)一步擴(kuò)充，為腦卒中后運(yùn)動功能障礙的康復(fù)提供了更多選擇。

1.2基于VR技術(shù)的上肢康復(fù)機(jī)器人 基于VR技術(shù)的上肢康復(fù)機(jī)器人是通過上肢康復(fù)機(jī)器人帶動患肢，并在模擬日常生活的環(huán)境下，進(jìn)行上肢功能訓(xùn)練的康復(fù)設(shè)備。

VR技術(shù)可以給予患者實時逼真的視覺、聽覺及觸覺反饋，為患者創(chuàng)建更加豐富、安全的訓(xùn)練場景〔9〕，并可激勵其重復(fù)地訓(xùn)練，從而提高其訓(xùn)練效果。Grimm等〔10〕利用外骨骼機(jī)器人的輔助，讓患者在激勵式的虛擬環(huán)境中進(jìn)行以任務(wù)為導(dǎo)向的伸手抓握訓(xùn)練，要求患者根據(jù)虛擬環(huán)境提供的反饋信息相應(yīng)地調(diào)整上肢動作。持續(xù)4 w共20次的訓(xùn)練干預(yù)使患者肩、肘和腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動準(zhǔn)確性、運(yùn)動范圍和運(yùn)動協(xié)調(diào)性均得到顯著改善。陳澤等〔11〕研發(fā)的三自由度主動式上肢康復(fù)機(jī)器人，通過3D漫游等虛擬環(huán)境實現(xiàn)沉浸式體驗，同時上肢機(jī)器人可通過引導(dǎo)能力較弱或不能完成自主運(yùn)動的患者進(jìn)行主動運(yùn)動，促進(jìn)患者主動參與。Patel等〔12〕認(rèn)為針對發(fā)病時間小于1個月的腦卒中患者，連續(xù)8次在每天3 h常規(guī)訓(xùn)練基礎(chǔ)上增加1 h的基于VR模擬工作場景的機(jī)器人輔助任務(wù)訓(xùn)練，可更有效地改善患者的上肢運(yùn)動功能評分(FMA)和腕關(guān)節(jié)主動關(guān)節(jié)活動度。

VR訓(xùn)練的作用機(jī)制可能是通過增加多感官反饋和對運(yùn)動表現(xiàn)的認(rèn)識來刺激大腦皮層的重組，激活了患者對側(cè)的初級感覺運(yùn)動皮質(zhì)、雙側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)和同側(cè)的小腦，同時消除運(yùn)動前區(qū)和輔助運(yùn)動區(qū)的異常激活〔13～15〕，從而提高了上肢功能。

基于VR技術(shù)的上肢康復(fù)機(jī)器人實現(xiàn)了多感官綜合干預(yù)治療的效果，為患者創(chuàng)造各種日常生活活動場景，并通過視、聽、觸覺的反饋帶來身臨其境的虛擬生活與訓(xùn)練體驗，從而有助于腦卒中后上肢運(yùn)動和感覺功能的恢復(fù)〔9〕。但目前VR機(jī)器人用于康復(fù)評估與訓(xùn)練的精準(zhǔn)性需要更多研究來證明，因此發(fā)展智能化的VR機(jī)器人進(jìn)行腦卒中患者的診療和提高機(jī)器人評估與訓(xùn)練的準(zhǔn)確性仍是未來的研究重點。

1.3基于肌電反饋的上肢康復(fù)機(jī)器人 腦卒中后上肢運(yùn)動功能障礙的患者常有部分殘存肌力，其可引起肌電信號的改變〔16〕，但卻無法支持其完成實際運(yùn)動〔17〕?；诩‰姺答伒纳现祻?fù)機(jī)器人正是通過采集患者上肢肌群的肌電信號，來識別患者的運(yùn)動意圖，并通過結(jié)合電刺激和機(jī)器人輔助技術(shù)，帶動患者進(jìn)行主動訓(xùn)練，完成訓(xùn)練任務(wù)〔18〕。

通過肌電反饋機(jī)器人的輔助訓(xùn)練可以有效地改善腦卒中患者上肢運(yùn)動功能〔19,20〕和肌肉協(xié)調(diào)性〔21〕。Makowski等〔16〕的研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合功能性電刺激的肌電反饋上肢康復(fù)機(jī)器人可改善腦卒中后患者的肩、肘關(guān)節(jié)功能，并指出通過機(jī)器人的輔助可有效減少患者肩關(guān)節(jié)外展所需的力量，從而間接地減少偏癱側(cè)上肢異常協(xié)同模式的發(fā)生。Qian等〔22〕將結(jié)合低頻電刺激的肌電反饋機(jī)器人用于慢性腦卒中患者上肢不同關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)其對上肢遠(yuǎn)端腕、指關(guān)節(jié)運(yùn)動功能的恢復(fù)效果明顯優(yōu)于近端關(guān)節(jié)，并可有效地緩解腕、手指部肌肉痙攣，持續(xù)5 w共20次的訓(xùn)練，其效果維持可超過3個月。

利用健側(cè)上肢的肌電信號來誘導(dǎo)患側(cè)上肢的運(yùn)動是肌電反饋訓(xùn)練的新方案。Leonardis等〔23〕提出一種肌電驅(qū)動的手部外骨骼機(jī)器人，通過采取健側(cè)手的肌電信號，驅(qū)動機(jī)器人帶動偏癱手的抓握訓(xùn)練，患者可改變健側(cè)上肢的抓握力量來調(diào)節(jié)機(jī)器人輔助力量。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于肌電信號反饋的機(jī)器人輔助訓(xùn)練方案也逐漸智能化。Burns等〔24〕研發(fā)的肌電驅(qū)動上肢康復(fù)機(jī)器人利用機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來自動學(xué)習(xí)三個雙向控制命令相對應(yīng)的肌肉激活模式，實現(xiàn)了肌電信號閾值的自適應(yīng)調(diào)整，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以休息——任務(wù)訓(xùn)練交替的方式積累訓(xùn)練數(shù)據(jù)。該設(shè)備可通過健側(cè)上肢的肩部、肘部、腕部的肌電信號反饋分別控制患側(cè)拇指、食指和其余三指來完成手部打開和抓握動作，其動作成功率可達(dá)91.7%。機(jī)器人設(shè)備的智能化將使訓(xùn)練方案的選擇和調(diào)整更加準(zhǔn)確、簡單，因此自適應(yīng)的智能化機(jī)器人設(shè)備研發(fā)及臨床應(yīng)用可能是未來研究的一大熱點。

肌電驅(qū)動的上肢機(jī)器人通過檢測肌電信號可以提高訓(xùn)練的精確性，為患者提供合適的輔助力量，同時促進(jìn)患者主動參與訓(xùn)練。但目前個體肌電信號的差異及不同操作導(dǎo)致電極片的位置差異均可能對訓(xùn)練產(chǎn)生干擾〔17〕，因此未來的研究可能從個體肌電信號差異與機(jī)器人輔助訓(xùn)練療效的相關(guān)性入手。

1.4基于MI-腦機(jī)接口技術(shù)(MI-BCI)的上肢康復(fù)機(jī)器人 基于MI-BCI的上肢康復(fù)機(jī)器人是近年來上肢康復(fù)機(jī)器人發(fā)展的一大熱點。MI是對指定動作進(jìn)行重復(fù)的想象，實際上不需要進(jìn)行任何動作〔25〕。MI對腦卒中患者的認(rèn)知功能要求較高，且缺乏有效的監(jiān)督和反饋方式〔26〕。而BCI通過采集腦電信號來監(jiān)測運(yùn)動想象過程，可對MI調(diào)節(jié)的腦功能進(jìn)行實時定量監(jiān)測〔27〕。研究表明MI與BCI結(jié)合對腦卒中后運(yùn)動功能障礙具有顯著的改善作用〔25,27〕，而MI、BCI和上肢機(jī)器人的結(jié)合對比單純上肢機(jī)器人訓(xùn)練能取得更好的訓(xùn)練效果。

Ang等〔28〕將MI-BCI控制的肩肘機(jī)器人訓(xùn)練與單純肩肘機(jī)器人訓(xùn)練對于中重度腦卒中患者偏癱上肢的療效進(jìn)行對比，經(jīng)過4 w的干預(yù)，兩組治療效果相當(dāng)。但12 w訓(xùn)練干預(yù)后MI-BCI組有63.6%的患者上肢運(yùn)動功能得到改善，而單純機(jī)器人訓(xùn)練組只有35.7%的患者得到改善。Ang等〔29〕的另一項研究認(rèn)為MI-BCI機(jī)器人對于慢性腦卒中患者偏癱側(cè)上肢腕、手部控制能力具有良好的訓(xùn)練效果。持續(xù)18次60 min的MI-BCI機(jī)器人訓(xùn)練可提高患者抓握釋放動作的運(yùn)動表現(xiàn)，其訓(xùn)練效果可持續(xù)24 w。Frolov等〔30〕的研究發(fā)現(xiàn)通過10次的MI-BCI機(jī)器人訓(xùn)練可改善患者的握力和捏力，而普通機(jī)器人訓(xùn)練則無此效果。并且MI-BCI組患者的手臂動作調(diào)查測試表(ARAT)和FMA評分的最小臨床意義變化值分別是普通機(jī)器人訓(xùn)練組的4.3倍和2.3倍。因此認(rèn)為MI-BCI組對于腦卒中患者的最小治療獲益優(yōu)于普通的機(jī)器人訓(xùn)練。

通過MI、BCI、上肢康復(fù)機(jī)器人三種技術(shù)的結(jié)合，患者獲得了更優(yōu)的訓(xùn)練效果。功能性磁共振成像(fMRI)研究顯示其作用機(jī)制可能是MI通過大腦內(nèi)在功能連接的重組，尤其是與MI、學(xué)習(xí)有關(guān)的同側(cè)大腦區(qū)域，來促進(jìn)運(yùn)動功能的恢復(fù)〔25〕。其具體的機(jī)制也需要未來的研究進(jìn)一步探索。

雖然腦電信號可在一定程度上反映大腦的活動狀態(tài)，但由于腦電信號強(qiáng)度和特異性較低，易受肌電信號干擾等原因〔17〕，導(dǎo)致腦電反饋的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不佳，因此更需要未來的技術(shù)和研究來確保腦電信號的精確檢測。

1.5基于遠(yuǎn)程技術(shù)的上肢康復(fù)機(jī)器人 互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程技術(shù)與康復(fù)機(jī)器人的融合，為腦卒中患者的家庭——社區(qū)康復(fù)提供了新的方式，康復(fù)治療師通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，可依據(jù)患者的功能狀態(tài)，制定個性化的康復(fù)訓(xùn)練方案。

基于遠(yuǎn)程技術(shù)的上肢康復(fù)機(jī)器人可用于腦卒中后康復(fù)訓(xùn)練，也為運(yùn)動功能的評估提供新工具。Linder等〔31〕的研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)8 w應(yīng)用基于家庭訓(xùn)練的遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練可有效改善腦卒中患者(發(fā)病時間小于6個月)的抑郁狀態(tài)和生活質(zhì)量。治療師通過互聯(lián)網(wǎng)修改訓(xùn)練方案，并遠(yuǎn)程監(jiān)督患者進(jìn)行每周5次，每次2 h的機(jī)器輔助上肢訓(xùn)練和1 h常規(guī)家庭康復(fù)訓(xùn)練。8 w后抑郁評分(CES-D)大于16分的患者數(shù)量減少了13.4%。其原因可能是治療師定期的隨訪和交流，增加了患者的社交渠道，從而有助于減少腦卒中后抑郁的發(fā)生。Baur等〔32〕提出一種機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)，通過兩個上肢機(jī)器人設(shè)備實現(xiàn)治療師和患者之間遠(yuǎn)距離的觸覺交互。治療師可通過自身手臂的機(jī)器人感受患者手臂運(yùn)動的局限性，識別患者上肢的異常運(yùn)動模式，同時在點對點任務(wù)中，可獲取關(guān)節(jié)位置，關(guān)節(jié)間運(yùn)動協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性及流暢性。目前此機(jī)器人評估可作為治療師評估的一種補(bǔ)充，但并非替代方式。未來的研究可能通過大數(shù)據(jù)和人工智能(AI)提取關(guān)鍵運(yùn)動參數(shù)，使遠(yuǎn)程機(jī)器人評估更加準(zhǔn)確，成為一種獨(dú)立的評估工具。

遠(yuǎn)程康復(fù)技術(shù)輔助訓(xùn)練的模式可以消除地域空間上的阻礙，解決患者出院后康復(fù)難的問題。但目前需要患者家中配有訓(xùn)練設(shè)備，從而增加了康復(fù)成本，同時對患者或照顧者的知識水平要求較高，需要熟練操作才能與治療師進(jìn)行交流。因此，未來的研究也需要機(jī)器人設(shè)備更加智能化和家庭化，讓遠(yuǎn)程機(jī)器人真正進(jìn)入社區(qū)，進(jìn)入家庭，為患者提供更加便捷和優(yōu)質(zhì)的康復(fù)服務(wù)。

2 上肢康復(fù)機(jī)器人在腦卒中后繼發(fā)功能障礙中的應(yīng)用

上肢機(jī)器人除了能直接改善腦卒中引起的上肢運(yùn)動障礙外，對其繼發(fā)的多種功能障礙，如肩關(guān)節(jié)半脫位、肩痛、肌痙攣等〔33〕，也具有良好的預(yù)防和改善作用。

肩關(guān)節(jié)半脫位、肩痛是腦卒中后常見的并發(fā)癥，半脫位主要是由肩部周圍肌肉無力引起，而肩痛主要由肩關(guān)節(jié)的僵硬或半脫位導(dǎo)致〔34〕。肩痛的發(fā)生不僅影響腦卒中后康復(fù)訓(xùn)練〔35〕，同時也嚴(yán)重地影響了患者的生活質(zhì)量〔36〕。Kim等〔37〕的研究利用肩部輔助訓(xùn)練機(jī)器人治療亞急性腦卒中患者的肩痛問題。其結(jié)果顯示相比于常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練組，連續(xù)20次30 min機(jī)器人輔助可更加顯著地改善肩關(guān)節(jié)被動關(guān)節(jié)活動度和主觀疼痛程度，且其訓(xùn)練效果可維持4 w。孫麗等〔38〕認(rèn)為機(jī)器人輔助結(jié)合上肢常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練可以治療腦卒中后肩關(guān)節(jié)半脫位。機(jī)器人的輔助使患者的上肢處于減重狀態(tài)，使半脫位的肩關(guān)節(jié)回到復(fù)位狀態(tài)，在此狀態(tài)下進(jìn)行訓(xùn)練可以預(yù)防并減輕肩痛，肘關(guān)節(jié)也可穩(wěn)定地進(jìn)行拮抗肌的往復(fù)運(yùn)動，并且肩胛骨充分前伸可以預(yù)防肩關(guān)節(jié)攣縮和肩痛的形成。

痙攣在腦卒中后第一年的發(fā)生率為25%～43%，痙攣的發(fā)生可導(dǎo)致肌肉短縮、關(guān)節(jié)攣縮和姿勢異常等，嚴(yán)重地影響了患者的穿衣、洗漱等日?；顒?，在降低患者生活質(zhì)量的同時，加重了照顧者負(fù)擔(dān)〔33,39〕。Gobbo等〔40〕利用機(jī)器人輔助訓(xùn)練針對首次發(fā)病的腦卒中患者進(jìn)行20 min的手部被動運(yùn)動訓(xùn)練，訓(xùn)練后患者腕、手指部位的改良Ashworth評分顯著減少，痙攣有所改善，且患者主訴腕、手部的沉重感和僵硬感明顯減輕，其中存在上肢疼痛患者中有三分之二自述手部疼痛減輕，同時近紅外光譜檢查顯示患側(cè)上肢的前臂血流灌注發(fā)生明顯改善。Lee等〔41〕表明上肢康復(fù)機(jī)器人通過拉伸肩、肘部的痙攣肌和促進(jìn)拮抗肌的收縮可以緩解腦卒中后患者上肢屈肌痙攣并改善上肢關(guān)節(jié)活動度。但在相同干預(yù)時間下，機(jī)器人輔助訓(xùn)練因其訓(xùn)練的高重復(fù)性，對痙攣具有更好的緩解作用。機(jī)器人輔助下的上肢運(yùn)動訓(xùn)練能有效地緩解屈肌痙攣和僵硬的問題，同時患者上肢功能狀態(tài)的恢復(fù)也有利于患者進(jìn)行主動訓(xùn)練。

綜上，上肢機(jī)器人輔助訓(xùn)練結(jié)合不同技術(shù)的綜合干預(yù)方法因訓(xùn)練側(cè)重點不同，具有不同的訓(xùn)練優(yōu)勢。在腦卒中患者中應(yīng)用機(jī)器人輔助訓(xùn)練可以改善其上肢運(yùn)動功能、上肢肌力、日常生活活動能力和生活質(zhì)量〔42〕，同時機(jī)器人設(shè)備的訓(xùn)練反饋和新穎性也有助于提高患者的訓(xùn)練動機(jī)和參與度。