劉忠良 張坤 魏彥龍 張志遠(yuǎn)

摘 要 隨著康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)也順應(yīng)著臨床需要而迎來(lái)發(fā)展新紀(jì)元?？祻?fù)機(jī)器人系統(tǒng)憑借其自動(dòng)化、可編程等特性，可以很好地滿足臨床康復(fù)工作的需要，同時(shí)可以有效整合肌電圖、腦機(jī)接口、功能性電刺激等新型康復(fù)輔助技術(shù)，進(jìn)而有效提高臨床康復(fù)效果。隨著醫(yī)工等多學(xué)科交叉合作的過(guò)程不斷深化，未來(lái)的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)既需要強(qiáng)大的康復(fù)醫(yī)學(xué)理論支撐，又需契合臨床康復(fù)需求，這樣才能同時(shí)保證機(jī)器人輔助康復(fù)的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞 康復(fù)醫(yī)學(xué)；機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)；醫(yī)工結(jié)合

中圖分類號(hào) R496 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-7721（2023）06-0497-10

Present status and progress of rehabilitation robotic system

LIU Zhongliang1， ZHANG Kun1， WEI Yanlong1， ZHANG Zhiyuan1， 2

（1. Department of Rehabilitation， the Second Hospital of Jilin University， Changchun 130041， China; 2. School of Nursing，

Jilin University， Changchun 130021， China）

Abstract With the continuous development of rehabilitation medicine and robotics， the rehabilitation robotic system has ushered in a new era of progress with the clinical needs. The rehabilitation robotic system can well meet the needs of clinical rehabilitation with its automation and programmability， and it can effectively integrate electromyography， brain-computer interface， functional electrical stimulation and other new rehabilitation-assisted technologies together， which is conducive to improve the clinical rehabilitation effect well. With the deepening of multidisciplinary cooperation between medicine and engineering， the future rehabilitation robotic system not only needs strong theoretical support of rehabilitation medicine， but also meets the needs of clinical rehabilitation， so as to ensure the quality and efficiency of robot-assisted rehabilitation.

Key words Rehabilitation medicine; Robotic surgical system; Combination of medicine and engineering

收稿日期：2022-03-11 錄用日期：2022-09-28

Received Date： 2022-03-11 Accepted Date： 2022-09-28

基金項(xiàng)目：吉林大學(xué)第二批本科“創(chuàng)新示范課程”建設(shè)項(xiàng)目（419050531034，419051000052）

Foundation Item： The Second Construction Project of Jilin University for Undergraduate “Innovative Demonstration Course” （419050531034， 419051000052）

通訊作者：張志遠(yuǎn)，Email：Z1810097959@163.com

Corresponding Author： ZHANG Zhiyuan， Email： Z1810097959@163.com

引用格式：劉忠良，張坤，魏彥龍，等. 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 機(jī)器人外科學(xué)雜志（中英文），2023，4（6）：497-506.

Citation： LIU Z L， ZHANG K， WEI Y L， et al. Present status and progress of rehabilitation robotic system[J]. Chinese Journal of Robotic Surgery， 2023， 4（6）： 497-506.

康復(fù)機(jī)器人被定義為一種可編程的多功能機(jī)械手，通過(guò)可編程的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)肢體、關(guān)節(jié)或其他部位的康復(fù)設(shè)備，輔助患者完成各項(xiàng)康復(fù)動(dòng)作[1]。機(jī)器人輔助康復(fù)治療是基于運(yùn)動(dòng)療法和機(jī)器人技術(shù)的新型康復(fù)治療方法，隨著康復(fù)機(jī)器人的不斷發(fā)展以及機(jī)器人輔助康復(fù)治療的可行性和療效逐漸被證實(shí)，康復(fù)機(jī)器人在臨床中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?？祻?fù)機(jī)器人系統(tǒng)具有訓(xùn)練動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)、可重復(fù)、可編程以及康復(fù)訓(xùn)練強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)。在臨床應(yīng)用過(guò)程中，康復(fù)治療師結(jié)合患者的特定康復(fù)需求，利用康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)將某些繁瑣和勞動(dòng)密集型的康復(fù)過(guò)程自動(dòng)化，有效地減少了醫(yī)生的體力負(fù)擔(dān)，有助于康復(fù)治療師將更多的精力應(yīng)用于患者的功能性康復(fù)訓(xùn)練中。此外，康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)在臨床康復(fù)中的應(yīng)用還具有成本效益[2-3]，能夠節(jié)省醫(yī)療支出，減少國(guó)家的醫(yī)療財(cái)政支出，但其成本效益和國(guó)家的具體醫(yī)療體制密切相關(guān)[4]。

目前，應(yīng)用于臨床的主要康復(fù)模式是治療師與患者進(jìn)行一對(duì)一的康復(fù)訓(xùn)練，由于醫(yī)療資源有限，治療師的時(shí)間和精力需要合理分配給多位患者，因此單個(gè)患者的康復(fù)強(qiáng)度可能未達(dá)到其最大康復(fù)潛力的需求。Lang C E等人[5]對(duì)腦卒中后臨床康復(fù)訓(xùn)練強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)臨床中的康復(fù)訓(xùn)練強(qiáng)度遠(yuǎn)低于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中所提示的可達(dá)到最大康復(fù)效果的訓(xùn)練強(qiáng)度。越來(lái)越多的研究表明，重復(fù)性、高強(qiáng)度的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)促進(jìn)大腦可塑性及運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)有著巨大的幫助[6-8]?？伎颂m圖書(shū)館的一項(xiàng)綜述中有中等質(zhì)量的證據(jù)表明[9]，在常規(guī)治療后額外提供至少20 h的重復(fù)性任務(wù)訓(xùn)練能夠提高腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能。此外，骨科康復(fù)等康復(fù)領(lǐng)域也需要機(jī)器人技術(shù)輔助人工進(jìn)行某些被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到更好的臨床康復(fù)效果[10]?？祻?fù)機(jī)器人系統(tǒng)憑借其可編程、自動(dòng)化、康復(fù)訓(xùn)練強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿足臨床康復(fù)需求。本綜述主要對(duì)國(guó)內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展歷史

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)也逐步成熟并進(jìn)入臨床應(yīng)用，但利用機(jī)器輔助臨床康復(fù)的探索卻可以追溯到很久以前。1910年Büdingen T [11]在一項(xiàng)專利中首次提出利用電動(dòng)馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)心臟病患者，以支持和引導(dǎo)其進(jìn)行步行康復(fù)訓(xùn)練。關(guān)節(jié)持續(xù)被動(dòng)活動(dòng)儀（Continuous Passive Motion，CPM）是第一個(gè)廣泛應(yīng)用于臨床康復(fù)的機(jī)器人系統(tǒng)，基于骨科術(shù)后康復(fù)的持續(xù)被動(dòng)活動(dòng)理論，CPM儀在臨床應(yīng)用中可沿著預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡驅(qū)動(dòng)人體關(guān)節(jié)，并在一定關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)的勻速被動(dòng)活動(dòng)，最終通過(guò)機(jī)器輔助人工以達(dá)到最佳康復(fù)治療效果。

1970年第1臺(tái)動(dòng)力外骨骼康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于脊髓損傷患者中，該系統(tǒng)通過(guò)氣動(dòng)、液壓和電磁驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)械臂帶動(dòng)患者踝關(guān)節(jié)屈伸及髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收和外展[12]。1991年第1個(gè)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)被用于腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練[13]，該系統(tǒng)在治療過(guò)程中不直接接觸患者，而是通過(guò)一個(gè)工業(yè)機(jī)械臂移動(dòng)墊子至治療師預(yù)定的位置，患者在重復(fù)移動(dòng)自身肢體接觸墊子的過(guò)程中達(dá)到康復(fù)效果。由于該系統(tǒng)對(duì)患者肢體無(wú)支持作用，因此只能應(yīng)用于腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能相對(duì)較好的患者。1995年，麻省理工學(xué)院的Hogan N等人[14]

發(fā)明了第1臺(tái)交互式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，其能夠提供安全、穩(wěn)定、操作順暢的多種訓(xùn)練模式（如被動(dòng)、主動(dòng)輔助、抗阻及去重力等），在訓(xùn)練過(guò)程中還能夠記錄肢體運(yùn)動(dòng)的多種運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。與此同時(shí)，以Lokomat為代表的下肢外骨骼式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)及The Gait Trainer等末端牽引式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)也逐漸成熟，并應(yīng)用于臨床研究中[15-16]。此后，隨著各類康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的有效性被越來(lái)越多的臨床研究證實(shí)[17-20]，康復(fù)機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練成為現(xiàn)實(shí)，康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展也迎來(lái)“新紀(jì)元”。

2 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來(lái)，各式各樣的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)相繼面世，大致可分為末端牽引式、外骨骼式和可穿戴式等三類康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。末端牽引式康復(fù)機(jī)器人安裝簡(jiǎn)便，只需固定遠(yuǎn)端肢體，即可通過(guò)牽引肢體末端引導(dǎo)整個(gè)上肢或下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，但由于其對(duì)肢體近端關(guān)節(jié)的控制有限，因此在訓(xùn)練過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致異常的運(yùn)動(dòng)模式。相比之下，外骨骼式康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械軸與患者的解剖軸對(duì)齊，可以精確控制患者單個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而最大限度地減少異常的姿勢(shì)或運(yùn)動(dòng)。外骨骼式康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比末端牽引式康復(fù)機(jī)器人更復(fù)雜，因此其安裝和操作過(guò)程也相對(duì)繁瑣，同時(shí)外骨骼機(jī)器人的造價(jià)也相對(duì)昂貴，這在一定程度上限制了外骨骼康復(fù)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)臨床康復(fù)治療中的應(yīng)用?？纱┐魇娇祻?fù)機(jī)器人系統(tǒng)具有輕量、便攜等特點(diǎn)，更加符合出院后康復(fù)和病房康復(fù)的需求，使機(jī)器人康復(fù)治療在康復(fù)的各個(gè)場(chǎng)景和階段都發(fā)揮了良好的康復(fù)療效。而隨著柔性可穿戴材料的發(fā)展，更加適合穿戴的軟體康復(fù)機(jī)器人也逐步進(jìn)入臨床實(shí)踐中。此外，聯(lián)合肌電圖、腦機(jī)接口和功能性電刺激等輔助技術(shù)的新型康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)也日益增多，且新型康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)似乎有著更好的臨床療效，未來(lái)有望助力臨床康復(fù)治療實(shí)踐。

2.1 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)

2.1.1 末端牽引式

目前，研究最多的末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)為麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的MIT-MANUS[21]，其現(xiàn)已商業(yè)化為InMotion系列康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，并被廣泛應(yīng)用于臨床康復(fù)中。在采用該系統(tǒng)進(jìn)行治療時(shí)，患者將患肢放在與末端效應(yīng)器（即手柄）相連的支撐裝置中，通過(guò)手柄能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并反饋患者的力量大小和方向，并根據(jù)患者實(shí)際情況自動(dòng)選擇主動(dòng)、被動(dòng)、主動(dòng)輔助等訓(xùn)練模式。InMotion擁有3個(gè)自由度，能夠全面訓(xùn)練上肢運(yùn)動(dòng)功能，兼顧肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。此外，該康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)還帶有視覺(jué)反饋系統(tǒng)，PC屏幕上預(yù)先設(shè)定好的游戲或動(dòng)畫可以匹配患者肢體運(yùn)動(dòng)，并提供實(shí)時(shí)反饋，最大程度地激發(fā)患者康復(fù)訓(xùn)練的趣味性和積極性?！缎掠⒏裉m醫(yī)學(xué)雜志》進(jìn)行的一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照研究表明[22]，與常規(guī)治療相比，InMotion上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)中重度慢性期腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能有一定的提升作用。此外，有大量研究表明，康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)在提高腦卒中患者的肌力、肢體功能及日常生活活動(dòng)能力（Activities of Daily Living，ADLs）等方面具有巨大潛力[23-24]。但《柳葉刀》進(jìn)行的一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照研究將康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)輔助治療、強(qiáng)化上肢訓(xùn)練和常規(guī)治療進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示InMotion上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)輔助治療雖然能夠提高上肢運(yùn)動(dòng)功能，但對(duì)患者上肢的功能性活動(dòng)及日常生活活動(dòng)能力的提高有限，這提示未來(lái)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)該重點(diǎn)考慮如何將肢體運(yùn)動(dòng)功能轉(zhuǎn)化為日常的功能性活動(dòng)，進(jìn)而提高患者的生活質(zhì)量[25]。

Bi-Manu-Track上肢訓(xùn)練器是基于腦卒中后雙側(cè)訓(xùn)練理論開(kāi)發(fā)的一個(gè)末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)使患肢可在健肢的輔助下實(shí)現(xiàn)前臂旋轉(zhuǎn)及腕關(guān)節(jié)屈伸的康復(fù)訓(xùn)練，并根據(jù)臨床實(shí)際情況靈活選擇主動(dòng)、被動(dòng)、主動(dòng)輔助等多種訓(xùn)練模式。一項(xiàng)臨床隨機(jī)對(duì)照研究使用Bi-Manu-Track上肢訓(xùn)練器進(jìn)行輔助治療，結(jié)果顯示機(jī)器人輔助康復(fù)組在上肢運(yùn)動(dòng)功能和任務(wù)表現(xiàn)方面均優(yōu)于常規(guī)治療組[26]。另一項(xiàng)研究將Bi-Manu-Track和InMotion兩種上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的療效進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示InMotion組的上肢Fugl-Meyer評(píng)分和近端改良Ashworth量表（Modified Ashworth Scale，MAS）優(yōu)于Bi-Manu-Track組，提示InMotion可能在提升患者上肢運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)方面更具有優(yōu)勢(shì)[27]。

由于手功能的精細(xì)性和復(fù)雜性，手功能康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。Amadeo是目前市場(chǎng)上為數(shù)不多的末端牽引式手功能康復(fù)機(jī)器人，其由前臂槽和手指末端效應(yīng)器組成，末端效應(yīng)器使每個(gè)手指都可進(jìn)行單獨(dú)的屈伸運(yùn)動(dòng)。目前已有研究初步表明，Amadeo手功能康復(fù)機(jī)器人在輔助臨床腦卒中患者的手功能康復(fù)方面有一定的潛力[28]，未來(lái)需要更多的研究關(guān)注手功能康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。

2.1.2 外骨骼式

Armeo Power是目前世界上最先進(jìn)的外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，其外骨骼機(jī)械臂可以根據(jù)患者的肩高和肢體長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，以全面包裹患者肢體。Armeo Power擁有7個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，可以提供上肢大范圍的三維平面運(yùn)動(dòng)，包括肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)、手掌的屈伸。在臨床治療過(guò)程中，治療師可以根據(jù)患者的康復(fù)需求設(shè)定任意的個(gè)性化訓(xùn)練動(dòng)作，患者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成各項(xiàng)模擬日常生活的游戲或活動(dòng)，如球類游戲、迷宮游戲及各類廚房活動(dòng)等?！读~刀》中一項(xiàng)利用Armeo Power外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行的任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練研究表明[29]，在Armeo Power輔助下進(jìn)行的任務(wù)導(dǎo)向型訓(xùn)練是安全、可靠的，可以顯著增強(qiáng)中風(fēng)6個(gè)月以上中度至重度患者癱瘓上肢的運(yùn)動(dòng)功能。

2.2 下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)

2.2.1 末端牽引式

G-EO下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括一個(gè)體重支撐系統(tǒng)，以及兩個(gè)可以感知患者主觀用力大小并沿著預(yù)定訓(xùn)練模式移動(dòng)的踏板，目前其具備原地行走、平地行走、后退行走及上下樓梯等多種步行訓(xùn)練模式。一項(xiàng)針對(duì)G-EO的多中心回顧性研究表明[30]，接受G-EO輔助步行訓(xùn)練的患者在整體運(yùn)動(dòng)性能、步行耐力、平衡和協(xié)調(diào)能力、下肢肌肉力量甚至發(fā)生痙攣等方面均有顯著改善。

線驅(qū)式骨盆輔助系統(tǒng)（Tethered Pelvic Assist Device，TPAD）是一項(xiàng)基于跑步機(jī)的下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，此下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)由哥倫比亞大學(xué)人員開(kāi)發(fā)，目前尚未上市。在步行周期的邁步相，TPAD在骨盆處提供引導(dǎo)力，促進(jìn)負(fù)荷或重量轉(zhuǎn)移到癱瘓下肢。與其他基于跑步機(jī)的機(jī)器人系統(tǒng)不同，TPAD是在步行的站立階段于骨盆水平給予的一種水平引導(dǎo)力，患者的四肢保持自由狀態(tài)，TPAD不提供固定的、預(yù)設(shè)的下肢運(yùn)動(dòng)軌跡。在訓(xùn)練過(guò)程中，患者必須根據(jù)骨盆上力的大小和方向，主動(dòng)控制和調(diào)整自己的姿勢(shì)和步態(tài)，這種設(shè)計(jì)迫使患者自行解決自身步行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。Bishop L等人[31]將TPAD系統(tǒng)和視覺(jué)反饋聯(lián)合用于腦卒中患者的步態(tài)訓(xùn)練，初步結(jié)果顯示其能有效改善患者步行時(shí)的姿勢(shì)對(duì)稱性。

2.2.2 外骨骼式

Lokomat下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)由跑步機(jī)、動(dòng)態(tài)體重支持系統(tǒng)、可調(diào)式機(jī)器人步態(tài)矯形器及視覺(jué)反饋系統(tǒng)構(gòu)成，主要用于下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的步行訓(xùn)練。跑步機(jī)可在安全、狹小的空間中模擬正常步行環(huán)境；動(dòng)態(tài)體重支持系統(tǒng)讓患者隨著步行周期上下浮動(dòng)，使步態(tài)更自然；可調(diào)式機(jī)器人步態(tài)矯形器有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)患者髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練，左右兩條腿共4個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)則通過(guò)被動(dòng)抬腳器實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)動(dòng)；視覺(jué)反饋系統(tǒng)可以使患者實(shí)時(shí)關(guān)注、調(diào)整自己的步行狀態(tài)，增強(qiáng)患者康復(fù)訓(xùn)練的積極性和有效性。

考克蘭圖書(shū)館的一項(xiàng)綜述表明[32]，中風(fēng)后接受康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)輔助步態(tài)訓(xùn)練結(jié)合物理治療的患者比不接受這些設(shè)備輔助步態(tài)訓(xùn)練的患者更有可能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走。Baronchelli F等人[33]進(jìn)行的一項(xiàng)Meta分析也表明，用Lokomat下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行輔助步行訓(xùn)練可以有效提升患者的平衡功能，甚至能起到和傳統(tǒng)物理治療相當(dāng)?shù)男Ч?。但另一?xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照研究表明，單獨(dú)使用Lokomat進(jìn)行步行訓(xùn)練的效果不如常規(guī)步行訓(xùn)練[34]，常規(guī)步行訓(xùn)練的多樣性使患者可以全方位恢復(fù)步行功能，而機(jī)器人步行訓(xùn)練系統(tǒng)目前尚不足以模擬自然環(huán)境狀態(tài)下的步行?！缎掠⒏裉m醫(yī)學(xué)雜志》的一項(xiàng)研究[35]也提示，基于減重系統(tǒng)的跑步機(jī)步行訓(xùn)練效果不如康復(fù)治療師提供的個(gè)性化步行訓(xùn)練。因此，想要最大程度恢復(fù)患者的步行功能，應(yīng)該綜合應(yīng)用康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)康復(fù)輔助技術(shù)。未來(lái)下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合步行訓(xùn)練的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出更符合自然環(huán)境下步行狀態(tài)的機(jī)器人系統(tǒng)，以適應(yīng)患者的康復(fù)需求。

2.3 新型康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)

2.3.1 上肢可穿戴式康復(fù)機(jī)器人

MyoPro Motion-G是一種非侵入性、輕量便攜（約2.3 kg）的可穿戴式上肢外骨骼康復(fù)設(shè)備，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肱二頭肌、肱三頭肌及前臂屈伸肌群的表面肌電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)外骨骼驅(qū)動(dòng)器輔助患者肘部的屈伸和手的抓放。Peters H T等人[36]進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，當(dāng)穿戴MyoPro Motion-G進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)時(shí)，患者手的靈活性和某些功能性任務(wù)的成績(jī)顯著提升，此外患者Fugl-Meyer評(píng)分的提升在統(tǒng)計(jì)學(xué)上遠(yuǎn)超過(guò)最小臨床意義（Minimal Clinically Important Difference，MCID）。但由于MyoPro Motion-G需要由專門的康復(fù)工程師進(jìn)行定制，其臨床應(yīng)用范圍大大受限，因此如何將其設(shè)計(jì)成可根據(jù)個(gè)體差異進(jìn)行調(diào)整的設(shè)備將是擴(kuò)大其臨床應(yīng)用范圍的關(guān)鍵所在。

2.3.2 下肢可穿戴式康復(fù)機(jī)器人

可穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人正在成為機(jī)器人步態(tài)康復(fù)的一項(xiàng)革命性技術(shù)，其具有多種應(yīng)用潛力，包括早期步行康復(fù)、體育鍛煉加強(qiáng)，以及在家庭和社區(qū)開(kāi)展與步行相關(guān)的日常生活活動(dòng)。此外，可穿戴式外骨骼設(shè)備還可以提高老年人等活動(dòng)不便人群的獨(dú)立行走能力，并可減少與久坐相關(guān)的繼發(fā)性健康問(wèn)題。目前，用于步態(tài)康復(fù)的可穿戴式下肢外骨骼設(shè)備仍處于開(kāi)發(fā)的早期階段，需要更多的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)來(lái)證明其臨床療效。

Ekso GT是第1款經(jīng)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)用于中風(fēng)后康復(fù)的下肢可穿戴式外骨骼設(shè)備，這款設(shè)備包含一個(gè)為髖膝關(guān)節(jié)提供驅(qū)動(dòng)力的可穿戴外骨骼組件以及一個(gè)包含電池和控制器的背包組件。目前使用Ekso GT進(jìn)行的臨床研究數(shù)量仍然有限，一項(xiàng)針對(duì)23例亞急性期和慢性期腦卒中患者進(jìn)行的前瞻性前后對(duì)照研究表明[37]，Ekso GT組患者治療后的運(yùn)動(dòng)力指數(shù)、功能性步行量表、10 m步行測(cè)試和6 min步行測(cè)試等步行功能相關(guān)指標(biāo)均有顯著改善。此外，還有研究表明利用Ekso GT進(jìn)行步行訓(xùn)練可以有效增強(qiáng)皮質(zhì)脊髓興奮性、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)整合以及增強(qiáng)半球間和半球內(nèi)神經(jīng)連接[38]。Caliandro P等人[39]利用功能性近紅外光譜發(fā)現(xiàn)患者在Ekso GT步行訓(xùn)練期間前額葉皮層的代謝活動(dòng)增強(qiáng)，提示患者在Ekso GT步行訓(xùn)練過(guò)程中注意力高度集中。以上結(jié)果均為Ekso GT在步行康復(fù)中的應(yīng)用提供了生理學(xué)基礎(chǔ)，但未來(lái)還需要大樣本、設(shè)計(jì)良好的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)對(duì)下肢可穿戴式外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的臨床療效進(jìn)行驗(yàn)證。

目前可穿戴式外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)仍然是相對(duì)笨重的設(shè)備，通常需要臨床工作人員額外監(jiān)督，并配合其他輔助步行設(shè)備使用，這嚴(yán)重阻礙了可穿戴外骨骼設(shè)備在臨床的推廣應(yīng)用。步態(tài)管理輔助系統(tǒng)（Stride Management Assist，SMA）是日本本田公司研發(fā)的一種輕量級(jí)外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人，整個(gè)設(shè)備僅重2.8 kg，其髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上配備的角度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者步行時(shí)雙側(cè)的髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，然后根據(jù)患者步行節(jié)律和雙側(cè)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的對(duì)稱性在步行過(guò)程中的特定情況下給予輔助力矩，以達(dá)到在自然狀態(tài)下進(jìn)行步行訓(xùn)練的效果。由于SMA下肢康復(fù)機(jī)器人只有髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力，無(wú)膝踝關(guān)節(jié)的支撐，因此其在臨床中僅適用于一些下肢無(wú)嚴(yán)重痙攣，以及能獨(dú)立站立且輔助步行一段距離的患者。Buesing C和Jayaraman A等人[40-41]比較了SMA外骨骼機(jī)器人和傳統(tǒng)的功能性步行訓(xùn)練的療效，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SMA組在步速、步長(zhǎng)、步行耐力和空間對(duì)稱性等步行變量及患肢股直肌的皮質(zhì)脊髓興奮性等方面有顯著改善。

2.3.3 其他新型康復(fù)機(jī)器人

2.3.3.1 肌電和功能性電刺激聯(lián)合的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)：香港理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種肌電信號(hào)聯(lián)合外骨骼和功能性電刺激的綜合性手功能康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為肌電采集分析、外骨骼驅(qū)動(dòng)和功能性電刺激等3個(gè)模塊[42]。臨床治療過(guò)程中，當(dāng)目標(biāo)肌群的肌電信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，外骨骼聯(lián)合功能性電刺激共同驅(qū)動(dòng)肢體，并以與目標(biāo)肌群肌電信號(hào)強(qiáng)度成正比的角速度驅(qū)動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)。隨后的臨床研究表明，該綜合性上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)可以有效改善患手近、遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)的自主運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)能力，其臨床療效可維持3個(gè)月以上[43]。此外，當(dāng)該系統(tǒng)應(yīng)用于整個(gè)上肢關(guān)節(jié)的康復(fù)治療時(shí)，其能夠有效地提升整個(gè)上肢的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)能力[44]。Huang Y H等人[45]進(jìn)行的一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)表明，康復(fù)機(jī)器人聯(lián)合功能性電刺激比單獨(dú)的康復(fù)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)功能、協(xié)調(diào)性及痙攣緩解等方面均具有更好的臨床療效。

2.3.3.2 基于腦機(jī)接口的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)：腦機(jī)接口式（Brain-Computer Interface，BCI）康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)是目前最前沿、最熱門的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，主要基于腦卒中后的運(yùn)動(dòng)想象原理。BCI式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)腦-機(jī)接口獲取、分析大腦的運(yùn)動(dòng)想象信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為控制命令，通過(guò)控制命令驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)。此外，大部分BCI式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)還配有視覺(jué)反饋系統(tǒng)，將患者的運(yùn)動(dòng)想象重新建模并呈現(xiàn)在顯示屏上，使患者的運(yùn)動(dòng)想象過(guò)程具象化，進(jìn)而有效地提高了患者的中樞神經(jīng)可塑性。

Daly J J等人[46]通過(guò)一項(xiàng)病例研究首次評(píng)估了BCI式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)在腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的可行性。Frolov A A等人[47]進(jìn)行的一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照研究表明，腦電信號(hào)與外骨骼驅(qū)動(dòng)未配對(duì)時(shí)的康復(fù)效果不如BCI驅(qū)動(dòng)外骨骼設(shè)備的觀察組，這提示BCI解碼或許成為決定BCI式康復(fù)機(jī)器人療效的關(guān)鍵因素。目前BCI式康復(fù)機(jī)器人的相關(guān)研究主要集中于腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能中重度損傷的患者[48]，這是由于此類患者肢體隨意運(yùn)動(dòng)較差，不適用強(qiáng)制療法或重復(fù)性任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練等傳統(tǒng)康復(fù)治療技術(shù)，而B(niǎo)CI式康復(fù)機(jī)器人通過(guò)有效的運(yùn)動(dòng)想象直接激活中樞神經(jīng)系統(tǒng)，同時(shí)輔以視覺(jué)和本體感覺(jué)反饋，不需要外周肌肉的主動(dòng)收縮也可以達(dá)到中樞運(yùn)動(dòng)功能重塑的作用。

2.3.3.3 軟體康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)：傳統(tǒng)的外骨骼康復(fù)機(jī)器人由于其復(fù)雜的剛性系統(tǒng)，阻礙了人體關(guān)節(jié)的自然運(yùn)動(dòng)，降低了可穿戴性，從而導(dǎo)致其臨床使用范圍受限?？祻?fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練對(duì)急性和亞急性期患者的臨床療效似乎好于慢性期[32]，但由于傳統(tǒng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)體量大，故而不易在病房中進(jìn)行早期康復(fù)。近年來(lái)，隨著紡織品、人造橡膠及人造肌腱等柔性材料的發(fā)展，具有安全、輕量、便攜及不限制運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)的軟體康復(fù)機(jī)器人也逐漸開(kāi)始發(fā)展。軟體康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)主要用于輔助手功能損傷較嚴(yán)重患者的日常生活活動(dòng)，有大量研究[49-50]表明，患者穿戴軟體康復(fù)機(jī)器人時(shí)比不穿戴時(shí)的功能活動(dòng)表現(xiàn)有顯著提升。此外，有研究將功能性電刺激和肌電圖集成到軟體康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)上，這種新型的軟體康復(fù)機(jī)器人在經(jīng)過(guò)專業(yè)人員指導(dǎo)后可以用于家庭自主康復(fù)，該研究招募了15例慢性腦卒中患者，經(jīng)過(guò)該新型軟體康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)輔助康復(fù)訓(xùn)練20次后，患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能及痙攣程度均顯著改善[51]。軟體康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)使機(jī)器人康復(fù)技術(shù)用于家庭康復(fù)成為現(xiàn)實(shí)，也使機(jī)器人輔助技術(shù)更好地融入患者的日常生活，進(jìn)一步提高患者的日常生活活動(dòng)水平。

3 展望

未來(lái)的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)必然會(huì)聯(lián)合多種新型的康復(fù)輔助技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)綜合康復(fù)。肌電驅(qū)動(dòng)、腦電驅(qū)動(dòng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等一系列新型輔助技術(shù)的興起使機(jī)器人康復(fù)逐步邁向療效更佳的臨床綜合康復(fù)。與此同時(shí)，視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)，甚至觸覺(jué)刺激等多感官反饋使機(jī)器人康復(fù)形成“中樞-外周-中樞”的閉環(huán)刺激，更加符合大腦的可塑性原理，功能性電刺激與康復(fù)機(jī)器人的完美融合也使外周輔助肢體運(yùn)動(dòng)的方式更加多元化。

此外，未來(lái)應(yīng)該拓展目前臨床中最常用的機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練模式，兼顧單側(cè)和雙側(cè)訓(xùn)練模式，進(jìn)而探索基于不同訓(xùn)練模式的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。雙側(cè)訓(xùn)練是基于大腦雙側(cè)半球協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制的一種康復(fù)訓(xùn)練模式，目前臨床上的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)主要聚焦于單側(cè)訓(xùn)練，但有研究表明，聯(lián)合康復(fù)機(jī)器人等輔助設(shè)備的雙側(cè)訓(xùn)練同樣能夠有效促進(jìn)腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)[52]。Chen P M等人[53]的研究也表明，在腦卒中患者上肢康復(fù)訓(xùn)練中，雙側(cè)訓(xùn)練模式具有較大的臨床潛力，但目前的臨床研究還不足以證明單側(cè)訓(xùn)練和雙側(cè)訓(xùn)練孰優(yōu)孰劣，因此未來(lái)應(yīng)該著重研究不同訓(xùn)練模式的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的臨床療效。

在康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)方面，未來(lái)應(yīng)該注重研發(fā)的質(zhì)量和效率。近年來(lái)，各康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，但一項(xiàng)研究表明[54]，納入研究的30種上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中只有1/4通過(guò)了臨床測(cè)試，多數(shù)設(shè)備被認(rèn)為過(guò)于復(fù)雜且不適用于臨床。許多康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)主要受機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的單向驅(qū)動(dòng)，康復(fù)機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)與相關(guān)臨床康復(fù)工作人員的溝通相對(duì)有限，因此康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)成功產(chǎn)業(yè)化并應(yīng)用于臨床康復(fù)的比例相對(duì)較低。未來(lái)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究應(yīng)該著力于醫(yī)工學(xué)科合作力度的加強(qiáng)，康復(fù)專家應(yīng)該為機(jī)器人的研發(fā)提供核心的康復(fù)原理，而工學(xué)專家則應(yīng)該基于康復(fù)原理設(shè)計(jì)出符合臨床需要的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。最后，康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)可以精準(zhǔn)量化康復(fù)治療介入的強(qiáng)度和性質(zhì)，并可以用患者運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、次數(shù)、協(xié)調(diào)性和肌肉力量等客觀指標(biāo)衡量患者功能改善的程度，通過(guò)此系統(tǒng)進(jìn)行康復(fù)評(píng)估的意義重大。因此，未來(lái)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)可以將評(píng)估和訓(xùn)練更好地整合起來(lái)，用康復(fù)評(píng)估指導(dǎo)康復(fù)訓(xùn)練，用康復(fù)訓(xùn)練量化康復(fù)評(píng)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輔助精準(zhǔn)康復(fù)。

4 總結(jié)

康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)在當(dāng)今智能醫(yī)學(xué)大背景下迎來(lái)了快速發(fā)展，其能夠很好地替代某些康復(fù)治療過(guò)程中重復(fù)枯燥的體力勞動(dòng)，使康復(fù)訓(xùn)練方案更加精準(zhǔn)和豐富，同時(shí)可有效整合新興的輔助技術(shù)用于臨床康復(fù)。目前，已有大量循證醫(yī)學(xué)證據(jù)表明機(jī)器人輔助康復(fù)治療的可行性和有效性，這些臨床證據(jù)為未來(lái)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)提供了重要的理論依據(jù)。

傳統(tǒng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于重復(fù)和自動(dòng)化兩個(gè)核心理念，根據(jù)不同的臨床需求而誕生了外骨骼式、末端牽引式等康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。隨著中樞神經(jīng)康復(fù)基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，臨床康復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的提高以及康復(fù)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可穿戴式康復(fù)機(jī)器人、軟體康復(fù)機(jī)器人以及整合肌電圖和腦機(jī)接口等技術(shù)的新型康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)也迎來(lái)新的發(fā)展。未來(lái)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)必定是多學(xué)科交叉合作的過(guò)程，需要醫(yī)學(xué)和工學(xué)共同確定康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模式、刺激強(qiáng)度和多感官輸入類型，以提高機(jī)器人康復(fù)的質(zhì)量和效率，最終研發(fā)出具有強(qiáng)大醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)支撐，同時(shí)契合臨床康復(fù)需求的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。

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