華裕，朱敏，張躍

南京醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院，江蘇南京市210008

康復機器人作為醫(yī)療機器人的一個重要分支，已經(jīng)成為康復醫(yī)學領域的一個研究熱點。近10年來康復機器人取得很大發(fā)展，在成人康復治療中的應用越來越廣泛，但兒童康復機器人仍處于起步階段。本文主要針對康復機器人在兒科疾病中的應用及發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述。

1 康復機器人的概念

康復機器人是指能自動執(zhí)行任務的人造機器裝置，用以取代或協(xié)助人體的某些功能，從而在康復醫(yī)療過程中發(fā)揮作用?？祻蜋C器人領域的主要發(fā)展目標包括：研發(fā)方便醫(yī)療人員和患者使用的康復器械及以此為依托的技術；促進臨床康復治療效果；為患者的日?；顒犹峁┓奖恪Ｗ鳛樯镝t(yī)學工程的分支領域，康復機器人融合了康復醫(yī)學、生物力學、機械學、機械力學、電子學、材料學、計算機科學、心理學以及機器人學等諸多學科，其研發(fā)目標側(cè)重于臨床實用性[1]。

2 發(fā)展背景

20世紀60年代初期出現(xiàn)第一臺康復機器人CASE[2]，自70年代中期，對康復機器人技術的研究逐漸發(fā)展起來[3]，在過去的幾十年里我們看到大量相關臨床成果。機器人輔助神經(jīng)康復作為一種物理療法，通過機器人幫助患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如腦卒中、腦癱等)的患者改善受損的肢體功能。已有康復設備的臨床評估提供強有力的證據(jù)證明，在不增加經(jīng)濟成本[4]的前提下，相對于治療師，通過機器人進行康復訓練能獲得相當甚至更好的功能改善[5]，這就是美國心臟協(xié)會建議采用機器人療法作為腦卒中后標準治療的原因。但大多相關研究仍局限在成年人方向，目前可用的兒童康復機器人設備稀缺，而且這些設備的臨床研究也非常有限[6]，可以說在兒童方向我們才剛剛起步。但考慮到兒童的大腦比成人的大腦更具有可塑性，我們可以合理地預計，康復機器人在成人取得的效果，將在兒童身上得到更有效的體現(xiàn)。

“運動學習(motor learning)”是感覺運動康復的重要理論基礎[7]，康復治療方法的設計應該遵循運動學習的原則，即集體訓練、認知參與及功能相關性[8]。然而，集體訓練很難在兒童中實現(xiàn)；同樣，認知參與需要一定的認知水平、注意力和配合程度，這對智力障礙或低年齡兒童而言更加困難；至于功能性相關性，我們也不能保證兒童愿意使用患肢去完成相應的訓練。這些都是兒童康復需要解決的難題。雖然一些新穎的、有一定強度的運動療法，如限制性誘導運動療法(constraint-induced movement therapy,CIMT)，在輕度偏癱的兒童中已取得不錯的效果[9-10]，但仍需要為重度肢體障礙的兒童設計出更有效的治療方法，因此開發(fā)兒童康復機器人設備是必然的趨勢。

3 分類

兒童康復機器人可以從不同角度進行分類，按照目的可粗略地分為輔助/替代型和訓練/治療型等。按照針對軀體部位的不同可分為上肢康復機器人和下肢康復機器人。按照人機結合的作用機制，可分為外骨骼式和牽引式。按照其移動方式，可分為固定式和移動式。目前國內(nèi)使用較多的主要按照軀體的部位分類，包括上肢康復機器人和下肢康復機器人。

3.1 上肢康復機器人

上肢康復機器人按作用機制可分為牽引式和外骨骼式兩種。牽引式主要提供平面運動訓練，此類機器人結構相對簡單，易于規(guī)劃軌跡和控制。外骨骼式將康復訓練范圍從平面拓展到立體空間，可靈活完成三維空間內(nèi)多個方向的上肢運動，對肩、肘、腕關節(jié)進行全方位運動訓練。應用上肢康復機器人進行康復訓練，可讓患兒實時看到自己上肢的位置，幫助患兒恢復本體感覺；還可針對患兒不同的能力進行評估，如主動參與程度、動作平滑程度、主/被動關節(jié)活動度、目標追蹤準確性等，幫助患兒掌握簡單的生活技能，比如飲水、進食等[11-14]。婁欣霞等[15]的研究表明，上肢康復機器人輔助治療能大大提高腦癱患兒的生活質(zhì)量和肢體活動能力，促使患兒養(yǎng)成生活自理的好習慣，并且對智力低下患兒的智力有明顯改善。

3.2 下肢康復機器人

下肢康復機器人按患兒訓練時的不同姿態(tài)可分為站立式和坐臥式兩種，能夠輔助支撐患兒的身體，幫助患兒形成自然的步態(tài)，同時還能進行其他功能鍛煉，主要對患兒的下肢肌力、步態(tài)和走路能力進行訓練。有些與減重懸吊系統(tǒng)、運動平板等相結合，以達成更多的目的，如進行直線、轉(zhuǎn)彎、邁上臺階等多種形式的步行訓練[16-19]。有證據(jù)顯示，對于痙攣型腦癱患兒，利用下肢機器人輔助減重步行訓練，能更早、更好、更充分地訓練患兒的軀干控制、單側(cè)支撐身體重量及髖膝關節(jié)伸展等步行相關能力，最終改善腦癱患兒的下肢運動功能[20]；同時下肢機器人在提高患兒的平衡功能，改善患兒的粗大運動等方面也取得良好的效果[21]。

4 應用現(xiàn)狀

4.1 腦癱

腦癱是胎兒及嬰幼兒期發(fā)育中腦的非進行性損傷及缺陷所造成的運動障礙及姿勢異常[22]，可伴有不同程度的智力低下、癲癇、心理行為異常、感知覺障礙及繼發(fā)性肌肉骨骼問題，是導致兒童殘疾的主要疾病，患病率為2‰～3‰。腦癱兒童存在多種功能障礙，以步行障礙為主，因此改善患兒下肢功能，輔助其獨立行走，對改善患兒生活質(zhì)量尤為重要。下肢康復機器人主要通過電腦控制的機械臂固定住患兒的腿部，讓其在跑臺上訓練。該系統(tǒng)包括提供部分支持體重的智能減重系統(tǒng)及機械性成分來控制髖關節(jié)和膝關節(jié)雙側(cè)運動的關節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)。治療師可控制體重支持的程度、機械臂支持的力度和跑臺的速度。

腦癱患兒并發(fā)精細動作功能障礙及認知落后，患兒穿戴好上肢便攜式康復機器人，機器人根據(jù)規(guī)劃的訓練任務提供完全的運動輔助，對相應的癱瘓關節(jié)施加作用力，從而實現(xiàn)患肢的整體運動，可以改善腦癱兒童上肢功能(精細動作)、手眼協(xié)調(diào)及認知水平。智能機器人甚至能夠代替部分殘疾功能，對于一些預后極差的腦癱患兒而言，個人用外骨骼機器人能幫助他們站立、行走，作為一個“器官”融入患兒的日常生活，來提高他們的生活質(zhì)量。這是腦癱康復治療技術的發(fā)展方向之一。

4.2 孤獨癥

除了腦癱以外，機器人也能用于孤獨癥康復治療。孤獨癥也稱自閉癥，是一種較為嚴重的廣泛性發(fā)育障礙性疾病，主要表現(xiàn)為社交障礙、語言溝通障礙和重復性刻板行為。近年來，全球兒童孤獨癥發(fā)病率呈大幅上升趨勢，我國孤獨癥的發(fā)病率也迅速上升[23]。該病尚缺乏特效藥物，主要以康復、心理干預和特殊教育干預為主[24]。長期以來，對孤獨癥患兒進行交流干預一直是一個挑戰(zhàn)[25]。由于孤獨癥兒童對機器人的興趣比非機器人玩具或人類伴侶的興趣要大得多，將機器人技術應用到孤獨癥康復中或許更有利于孤獨癥兒童社會交往技能的建立和泛化[26]。陳東帆等[27]研究證實，機器人能提高孤獨癥兒童社會交往能力、專注力與行為能力。此類機器人外形多為人形，這對于改善孤獨癥患兒的社會互動具有潛在的優(yōu)勢[28]。當然，相較于外形，更重要的是擁有強大自主功能的機器人系統(tǒng)[29]。得益于近幾年人工智能(artificial intelligence,AI)技術的突飛猛進，機器人將擁有更杰出的互動性能，為改善孤獨癥患兒的預后帶來希望。

5 發(fā)展趨勢

5.1 更多的訓練模式

就國內(nèi)目前的情況來看，二胎政策的開放大大增加了腦癱高危兒的數(shù)量，這對整個兒童康復行業(yè)都產(chǎn)生了不小的壓力，尤其是與治療師數(shù)量的短缺之間有著難以調(diào)和的矛盾。康復機器人目標之一是實現(xiàn)替代或輔助康復治療師，簡化傳統(tǒng)一對一的繁重過程。現(xiàn)在我們所實施的機器人治療項目多作為常規(guī)治療的輔助手段，而不是替代療法，在許多情況下增加了額外的治療時間，并不能減輕治療師的工作強度。另一方面，這些設備對低年齡段兒童并不適用。為此，需要康復機器人擁有更多的訓練模式，以滿足不同年齡段兒童的需求，并幫助緩解治療師數(shù)量短缺所帶來的壓力。有研究表明，兒童能通過爬行獲得運動經(jīng)驗，促進感知覺的發(fā)展，從而影響認知能力的發(fā)展[30]。傳統(tǒng)的爬行訓練不僅耗費人力，且訓練強度不夠。但目前尚未發(fā)現(xiàn)爬行相關康復機器人的文獻報道。鑒于機器人擅長執(zhí)行重復性繁重勞動，并可實現(xiàn)精確化、自動化、智能化的康復訓練[31]，開發(fā)擁有更多訓練模式的康復機器人是個不錯的研究方向。

5.2 新技術的應用

隨著計算機科學、工程學等的進步，康復機器人也有了更大的發(fā)展空間。根據(jù)腦神經(jīng)可塑性理論，腦功能重組的恢復訓練應該強調(diào)患者的主觀參與，當康復機器人幫助患者進行準確重復的運動訓練，如果患者能主動積極地參與到這個過程中，將能夠獲得更好的恢復效果。但鑒于兒童心智的不成熟，這一點對大多數(shù)兒童來講很難實現(xiàn)。我們關注到虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術可能幫助我們解決這一難題。虛擬現(xiàn)實技術是一種能給用戶提供虛擬場景和虛擬對象，并允許用戶與虛擬對象間進行交互操作的技術。它是計算機圖形技術和傳感控制技術有機結合的產(chǎn)物，其主要特征是為操作用戶提供的操作環(huán)境，是實時逼真的視覺、觸覺等反饋信息[32]。其具有安全性高、趣味性強、及時評估反饋等特點，在腦卒中運動功能障礙的康復中得到應用[33]。國外研究表明，對于步態(tài)、協(xié)調(diào)和平衡能力嚴重受損的多發(fā)性硬化癥患者，使用配備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的機器人進行步態(tài)訓練能獲得更好的效果[34]。限于虛擬現(xiàn)實技術本身并不成熟，是否能將之應用于兒童仍需進一步探索。但這不失為發(fā)展兒童康復機器人的一個好方向，對于發(fā)育落后的兒童，通過虛擬現(xiàn)實提高他們的主動性，增強視、聽覺等的刺激，更好的腦功能恢復效果是可期待的。

6 面臨的挑戰(zhàn)

6.1 降低機器人成本

目前康復機器人價格較高，以上肢康復機器人為例，一臺國產(chǎn)設備價格在70萬元左右，使用年限6～10年，1次訓練(約20 min)的收費至少140元左右。相比正常兒童，需要康復治療的兒童有更多的醫(yī)療、康復、教育、看護等需求，對家庭生活造成很大影響，也給家庭帶來沉重的經(jīng)濟負擔[35]。如若不能降低成本，導致治療費用大幅度提升，那么剛起步的兒童康復機器人將很難普及起來。盡管有些人主張簡化機器人設計，以制造更便宜的機器人，但這充其量只是一種暫時的解決方案，不太可能成為長期戰(zhàn)略。毫無疑問，一些簡單的設備可以作為輔助治療手段，但這并不符合我們的目的。一個成功的機器人設備必將是高度復雜的系統(tǒng)，它能智能地響應用戶的需求，并提供適應性治療，這在一個簡單的設備中無法實現(xiàn)。

6.2 更加卓越的功效

開發(fā)新設備的最終目的當然是為了進行更好的康復訓練，改善預后，提高生活質(zhì)量。理論上，康復機器人無疑能帶來不錯的治療效果，前文也提到一些臨床研究證實了這一點，但似乎離我們的預期仍有著不小的差距。問題可能并不在機器人設備的功效，而在于人類大腦自我修復能力本身有限，無論設備的硬件或是訓練模式的復雜程度如何。舉個極端的例子，對于嚴重腦畸形的患兒，即使再先進的康復技術恐怕也難以對其運動能力產(chǎn)生積極的影響。但我們?nèi)哉J為，增強康復機器人的發(fā)展，提高設備的功效是必須的，因為隨著對干細胞移植及相關療法的深入研究，神經(jīng)系統(tǒng)恢復的生物學約束終將逐漸減少，甚至在將來可能會被移除[36]。

6.3 安全性

要將設備大量投入臨床使用，那么無論對象是成人或是兒童，安全性的問題都不可回避。我們不僅需要考慮運動處方的安全性，還要考慮機器人自身的安全性。大多數(shù)康復機器人都有強大的動力系統(tǒng)，一旦失控，后果不堪設想，在兒童康復機器人設備上，這一點尤其不容忽視。然而在現(xiàn)有的康復機器人臨床研究中，涉及安全性評價的幾乎沒有[37]。因此對于臨床工作者來說，如何審查其安全性無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。

7 結論

康復機器人正處于一個動態(tài)的發(fā)展階段，在技術上取得了令人矚目的進步，但在兒童康復領域的臨床使用仍非常有限。我們?nèi)孕栳槍和掷m(xù)改進技術，收集更多關于療效的數(shù)據(jù)，開發(fā)出真正節(jié)省勞力的設備，促使兒童康復機器人完全進入臨床領域。我們理想中的康復治療模式是由醫(yī)療人員根據(jù)不同的病情制定出個性化的方案，由機器人去執(zhí)行訓練任務，醫(yī)療人員對訓練效果進行評估，實時進行相應的調(diào)整。最終，機器人設備能夠提升康復效果并降低人員成本，這才是導致它們被廣泛采用的驅(qū)動因素。

[1]周媛,王寧華.康復機器人概述[J].中國康復醫(yī)學雜志,2015,30(4):400-403.

[2]Kim Y,Cook AM.Electronic Devices for Rehabilitation[M].New York:John Wiley&Sons,1985.

[3]李林.兒童康復機器人及其臨床應用[C].鄭州:第六屆全國兒童康復、第十三屆全國小兒腦癱康復學術會議暨國際學術交流會議論文匯編,2014:385-388.

[4]Wagner TH,Lo AC,Peduzzi P,et al.An economic analysis of robot assisted therapy for long-term upper-limb impairment after stroke[J].Stroke,2011,42(9):2630-2632.

[5]Kwakkel G,KollenΒJ,Krebs HI.Effectsof robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke:a systematic review[J].Neurorehabil Neural Repair,2008,22(2):111-121.

[6]Michmizos KP,Krebs HI.Pediatric robotic rehabilitation:current knowledge and future trends in treating children with sensorimotor impairments[J].Neurorehabilitation,2017,41(1):69-76.

[7]Hogan N,Krebs HI,RohrerΒ,et al.Motions or muscles?Some behavioral factors underlying robotic assistance of motor recovery[J].JRehabil Res Dev,2006,43(5):605.

[8]Damiano DL.Activity,activity,activity:rethinking our physical therapy approach to cerebral palsy[J].Phys Ther,2006,86(11):1534-1540.

[9]Huang HH,Fetters L,Hale J,et al.Βound for success:a systematic review of constraint-induced movement therapy in children with cerebral palsy supports improved arm and hand use[J].Phys Ther,2009,89(11):1126-1141.

[10]Gordon AM,Hung YC,Βrandao M,et al.Βimanual training and constraint induced movement therapy in children with hemiplegic cerebral palsy:a randomized trial[J].Neurorehabil Neural Repair,2011,25(8):692-702.

[11]劉恩辰,梁蔓安.上肢康復機器人研究進展[J].中國康復理論與實踐,2014,20(9):895-897.

[12]顧騰,李傳江,詹青.卒中后上肢康復機器人應用研究進展[J].神經(jīng)病學與神經(jīng)康復學雜志,2017,13(1):44-50.

[13]王露露,胡鑫,曹武警,等.可穿戴上肢康復機器人的設計及其運動仿真和動力學分析[J].北京生物醫(yī)學工程,2017,36(2):177-185.

[14]Liu ZT,Ong HT,Jia XT,et al.Pediatric rehabilitation with the reachMAN's modular handle[C].Engineering in Medicine and Βiology Society.IEEE,2015:3933-3936.

[15]婁欣霞,李想遇,劉林,等.兒童上肢康復機器人輔助治療小兒腦癱的療效觀察與護理[J].中國現(xiàn)代醫(yī)藥雜志,2017,19(4):91-92.

[16]潘志超,徐秀林,肖陽.下肢康復機器人研究進展[J].中國康復理論與實踐,2016,22(6):680-683.

[17]李宏偉,張韜,馮垚娟,等.外骨骼下肢康復機器人在腦卒中康復中的應用進展[J].中國康復理論與實踐,2017,23(7):788-791.

[18]吳亮,王濤濤,劉黎明,等.下肢機器人結合懸吊訓練對痙攣型腦癱兒童的療效觀察[J].中國婦幼健康研究,2017,28(6):723-725.

[19]van Hedel HJ,Meyer-Heim A,Rüsch-Βohtz C.Robot-assisted gait training might be beneficial for more severely affected children with cerebral palsy[J].Dev Neurorehabil,2016,19(6):410-415.

[20]呂楠,尚清,馬彩云,等.康復機器人對痙攣型腦性癱瘓患兒的康復效果[J].中國實用神經(jīng)疾病雜志,2017,20(7):45-47.

[21]杜佳音,范艷萍,李鑫,等.自制腦性癱瘓兒童下肢康復器的研制及臨床效果[J].中國康復理論與實踐,2017,23(4):430-432.

[22]唐久來.腦性癱瘓康復理念和技術的最新進展[J].中國兒童保健雜志,2017,25(5):433-436.

[23]王麗英,張艷梅.國內(nèi)孤獨癥康復服務機構現(xiàn)狀調(diào)查[J].中國康復理論與實踐,2013,19(11):1099-1100.

[24]樊越波.孤獨癥譜系障礙康復研究進展[J].中國康復理論與實踐,2012,18(11):1044-1046.

[25]Schreibman L,Dawson G,Stahmer AC,et al.Naturalistic developmental behavioral interventions:empirically validated treatments for autism spectrum disorder[J].JAutism Dev Disord,2015,45(8):2411-2428.

[26]陳東帆,于新宇,李睿強,等.人形機器人孤獨癥教學課程體系設計與開發(fā)[J].中國康復理論與實踐,2016,22(9):1090-1093.

[27]陳東帆,李睿強,韓琨.人形機器人技術在孤獨癥兒童干預中的應用[J].中國康復理論與實踐,2015,21(11):1325-1328.

[28]Ueyama Y.AΒayesian model of the uncanny valley effect for explaining the effects of therapeutic robots in autism spectrum disorder[J].PLoSOne,2015,10(9):e0138642.

[29]Zheng Z,Young EM,Swanson AR,et al.Robot-mediated imitation skill training for children with autism[J].IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng,2016,24(6):682-691.

[30]李紅,何磊.兒童早期的動作發(fā)展對認知發(fā)展的作用[J].心理科學進展,2003,11(3):315-320.

[31]侯增廣,趙新剛,程龍,等.康復機器人與智能輔助系統(tǒng)的研究進展[J].自動化學報,2016,42(12):1765-1779.

[32]何雯,王凱.腦卒中后上肢功能康復研究進展[J].中國康復理論與實踐,2014,20(4):334-339.

[33]謝藝婷,柳維林,吳勁松,等.虛擬現(xiàn)實技術在腦卒中患者運動功能康復中的應用進展[J].中國康復理論與實踐,2017,23(11):1294-1298.

[34]Calabro RS,Russo M,Naro A,et al.Robotic gait training in multiple sclerosis rehabilitation:Can virtual reality make the difference?Findings from a randomized controlled[J].JNeurol Sci,2017,377:25-30.

[35]熊妮娜,楊麗.孤獨癥、肢體殘疾、智力殘疾兒童家庭經(jīng)濟負擔調(diào)查[J].中國康復理論與實踐,2010,16(8):785-788.

[36]Stein J.New Horizons for robot-assisted therapy in pediatrics[J].Am J Phys Med Rehabil,2012,91(11 Suppl 3):S280-289.

[37]Lo AC.Clinical designs of recent robot rehabilitation trials[J].Am J Phys Med Rehabil,2012,91(11 Suppl 3):S204-S216.