余紅陽(yáng)，方凡夫，石萍，喻洪流

1. 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)2. 海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科(上海，200433)

0 引言

神經(jīng)系統(tǒng)損傷或疾病引起的神經(jīng)性疾病占全球疾病負(fù)擔(dān)的6.3%，而神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的死亡人數(shù)占全球近12%，其中腦血管疾病(中風(fēng))占整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)疾病殘疾調(diào)整生命負(fù)擔(dān)的一半以上，成為了世界上第二大死亡原因和成人殘疾的主要原因[1-2]。神經(jīng)損傷導(dǎo)致的主要是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷，使得身體對(duì)骨骼和肌肉無(wú)法形成良好的控制，患者出現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)障礙，間接地造成了人的行為能力喪失。其它神經(jīng)系統(tǒng)疾病如脊髓損傷、多發(fā)性硬化癥、帕金森、創(chuàng)傷性腦損傷等都會(huì)對(duì)人的運(yùn)動(dòng)能力造成不同程度下降，進(jìn)而影響人的生活質(zhì)量。神經(jīng)損傷患者治療后需要進(jìn)行不斷的康復(fù)訓(xùn)練，重新建立神經(jīng)連接，以達(dá)到重新控制肢體的目的。

保持積極的生活方式是當(dāng)代一個(gè)主要的公共健康問題。因此，促進(jìn)體育參與對(duì)當(dāng)代社會(huì)至關(guān)重要。矛盾之處在于，一方面，體育運(yùn)動(dòng)的參與通過有充分證明的定期體育鍛煉的益處來(lái)改善健康。另一方面，參加體育運(yùn)動(dòng)也增加了不良后果的風(fēng)險(xiǎn)，如運(yùn)動(dòng)損傷。運(yùn)動(dòng)損傷是在體育運(yùn)動(dòng)過程中造成的身體損傷， 在身體條件沒有充分準(zhǔn)備好的情況下進(jìn)行體育鍛煉容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷[3]。運(yùn)動(dòng)損傷不僅發(fā)生于運(yùn)動(dòng)中，在日常的鍛煉、健身活動(dòng)中都是比較常見的，運(yùn)動(dòng)損傷的患者主要屬于身體結(jié)構(gòu)性損傷比如肌肉、關(guān)節(jié)、骨骼、組織等。運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的主要目標(biāo)是在傷害前的身體和情緒水平上的恢復(fù)，并防止再次受傷[4]。

1 神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的非機(jī)器人輔助治療

神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)需求在不斷擴(kuò)大，而兩者的不同需求對(duì)康復(fù)治療方法也產(chǎn)生了不同的要求。常規(guī)神經(jīng)康復(fù)手段有肌電生物反饋、重復(fù)任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練、約束誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)療法、鏡像療法、經(jīng)顱刺激與運(yùn)動(dòng)想象療法等。常見的運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)方法有物理療法、運(yùn)動(dòng)療法、作業(yè)療法再輔以手法治療、肌力訓(xùn)練、關(guān)節(jié)活動(dòng)度訓(xùn)練、器械輔助訓(xùn)練、中醫(yī)治療與言語(yǔ)矯治等。

在神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷初期，醫(yī)生往往根據(jù)患者的實(shí)際情況來(lái)選擇一些康復(fù)方法或者儀器。

肌電生物反饋治療能夠很好地改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度，提高肢體運(yùn)動(dòng)能力，比普通的作業(yè)治療更有效[5-6]。重復(fù)任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練的主要目的是引導(dǎo)患者主動(dòng)完成功能性任務(wù)訓(xùn)練，反復(fù)的訓(xùn)練能夠影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的適應(yīng)性，重塑新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練強(qiáng)調(diào)主動(dòng)性、可控制性、功能性以及重復(fù)性。約束誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)療法(CIMT)需要患者的肢體受損較輕，能夠集中、強(qiáng)制、大量地使用患肢，訓(xùn)練內(nèi)容不僅局限于實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，而且還包括實(shí)際生活活動(dòng)[7]。鏡像療法是運(yùn)動(dòng)想象療法之一，其原理是通過視覺觀察未受損的身體部位傳遞到大腦進(jìn)而影響到患側(cè)[8]，其機(jī)理主要是基于鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)的“動(dòng)作觀察——執(zhí)行匹配機(jī)制”[9]，利用“鏡盒”裝置提供的視覺反饋?zhàn)尰颊弋a(chǎn)生同時(shí)控制兩側(cè)肢體的錯(cuò)覺，讓患者能夠重塑患側(cè)肢體的神經(jīng)元以達(dá)到重新控制肢體的目的。經(jīng)顱刺激技術(shù)分為經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)和重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)，這兩項(xiàng)技術(shù)在中風(fēng)、帕金森癥、癲癇、抑郁癥、脊髓損傷等臨床治療上也都有一定程度的應(yīng)用。經(jīng)顱直流電技術(shù)通過低強(qiáng)度電流調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)內(nèi)突觸強(qiáng)度來(lái)改變神經(jīng)元活動(dòng)[10-11]，經(jīng)顱磁刺激通過高低頻雙向調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性變化產(chǎn)生興奮或抑制效果[12]。不同的是，tDCS不直接誘導(dǎo)神經(jīng)元放電，而是通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元膜電位極性來(lái)調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性變化[13]。已有的研究發(fā)現(xiàn)兩項(xiàng)技術(shù)對(duì)于中風(fēng)患者的吞咽、痙攣、肢體運(yùn)動(dòng)能力都存在積極影響[14-16]。目前來(lái)看，兩種技術(shù)的安全性都得到了一定保障，是非侵入式治療或康復(fù)的重要工具之一。

常見的運(yùn)動(dòng)損傷治療主要利用一些物理療法如光療、電療、超聲波療法磁療、水療、熱療、冷療等，再輔以一定程度上的手法治療，對(duì)患者的肌肉、關(guān)節(jié)、軟組織疼痛起到緩解或者改善的功效。

從非機(jī)器人治療的表現(xiàn)形式和治療手段上來(lái)看神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)有所不同： 神經(jīng)康復(fù)偏重于鍛煉患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)，通過刺激神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)重塑患者的運(yùn)動(dòng)功能； 運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)偏重于緩解患者的疼痛，改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度，避免肌肉萎縮。但是很多方法對(duì)于兩者是可以通用的，只是在手法、強(qiáng)度等上有所區(qū)別。例如PNF技術(shù)不僅適用于運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)[17]，在中風(fēng)康復(fù)中的應(yīng)用也極為廣泛，其能夠促進(jìn)患者對(duì)肌肉的控制能力 ，提高生活活動(dòng)能力[18]。另一方面，神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)都在不同程度上利用了物理因子： 在治療運(yùn)動(dòng)損傷患者過程中，多數(shù)是將物理因子直接作用于運(yùn)動(dòng)損傷患者表層，由表及內(nèi)； 而神經(jīng)損傷患者主要通過一些外部裝置、刺激來(lái)誘導(dǎo)患者進(jìn)行神經(jīng)性康復(fù)，多數(shù)由內(nèi)及外。

2 神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的機(jī)器人輔助治療

隨著科學(xué)水平的進(jìn)步，人工智能時(shí)代的到來(lái)，機(jī)器人輔助進(jìn)行康復(fù)治療成為了一項(xiàng)解決患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的途徑之一。其實(shí)早在20世紀(jì)60年代，外骨骼設(shè)備的出現(xiàn)就已經(jīng)為康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，在進(jìn)入80年代后，康復(fù)機(jī)器人逐步進(jìn)入了康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。根據(jù)神經(jīng)可塑性和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的原理，在康復(fù)過程中引入了機(jī)器人裝置，因?yàn)樗鼈兛梢宰畲蠡瘉?lái)自周圍關(guān)節(jié)的輸入，并且為中樞神經(jīng)系統(tǒng)提供特定任務(wù)刺激以促進(jìn)功能恢復(fù)。神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷患者需要持續(xù)不斷的醫(yī)療護(hù)理和強(qiáng)化康復(fù)，通常需要與治療師進(jìn)行一對(duì)一的手法治療，而機(jī)器人設(shè)備具有長(zhǎng)期提供治療的潛力，而與治療師的技術(shù)和疲勞無(wú)關(guān)。將機(jī)器人設(shè)備納入神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷患者的康復(fù)治療中可以減輕物理康復(fù)的勞動(dòng)密集，降低成本，還可以客觀地量化患者的輸出和結(jié)果(例如： 力量改善、協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間)[18]。

機(jī)器人設(shè)備在上肢康復(fù)中的應(yīng)用被認(rèn)為是從20世紀(jì)90年代早期開始的，由于上肢的分類標(biāo)準(zhǔn)較多，本文以訓(xùn)練模式對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行分類，如圖1所示。

圖1 上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人分類Fig.1 Classification of upper limb rehabilitation training robots

按照功能用途分類有： 踏板式康復(fù)機(jī)器人和外骨骼康復(fù)機(jī)器人。踏板式康復(fù)機(jī)器人利用雙側(cè)腳踏板牽引患者足部模擬步行動(dòng)作，從而帶動(dòng)下肢其他關(guān)節(jié)隨動(dòng)，通過控制腳踏板的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和規(guī)律實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)訓(xùn)練效果； 外骨骼式康復(fù)機(jī)器人主要在可穿戴的基礎(chǔ)上加強(qiáng)患者負(fù)載能力以及輔助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)患者步行能力以及步態(tài)的康復(fù)上有很大的幫助。從訓(xùn)練模式來(lái)看，患者主動(dòng)、被動(dòng)或者主被動(dòng)結(jié)合的訓(xùn)練方式是比較普遍的，神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷患者往往需要根據(jù)自身情況選擇不同機(jī)器人以及不同訓(xùn)練模式對(duì)患肢進(jìn)行訓(xùn)練。Lokomat是具有生理步態(tài)模式訓(xùn)練功能的下肢康復(fù)機(jī)器人，在一項(xiàng)觀察經(jīng)過機(jī)器人被動(dòng)輔助訓(xùn)練后偏癱患者運(yùn)動(dòng)能力的實(shí)驗(yàn)中證明，使用Lokomat能夠改善患者的步行能力，而在治療師和Lokomat同時(shí)輔助訓(xùn)練后能力改善更為明顯[20]。在一項(xiàng)主被動(dòng)雙側(cè)治療作為腦卒中患者的康復(fù)啟動(dòng)機(jī)制實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，主被動(dòng)結(jié)合的雙側(cè)訓(xùn)練模式能夠在較大幅度上改善患者上肢功能[21]。從訓(xùn)練模式來(lái)看由于運(yùn)動(dòng)損傷患者具備一定的肢體殘余運(yùn)動(dòng)能力康復(fù)過程中多采用主動(dòng)訓(xùn)練模式； 而神經(jīng)損傷患者在前期對(duì)肢體不能形成有效的控制多采用被動(dòng)訓(xùn)練模式，由機(jī)器人帶動(dòng)患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)運(yùn)動(dòng)或神經(jīng)損傷患者的肢體恢復(fù)到一定水平后，采取主被動(dòng)結(jié)合的訓(xùn)練模式能使患者更加主動(dòng)地參與到康復(fù)訓(xùn)練中來(lái)，對(duì)于改善肢體運(yùn)動(dòng)能力的效果也更加明顯。

重復(fù)任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練在神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)治療過程被頻繁使用，而對(duì)于兩類患者來(lái)說(shuō)帶有目的性的訓(xùn)練可能比單純的主被動(dòng)重復(fù)訓(xùn)練更加有效。French, Thomas等[22-24]發(fā)現(xiàn)，重復(fù)性功能訓(xùn)練對(duì)下肢產(chǎn)生功能性增益，高強(qiáng)度重復(fù)性任務(wù)訓(xùn)練可能是促進(jìn)中風(fēng)后運(yùn)動(dòng)恢復(fù)最有效的原則[25]。運(yùn)動(dòng)損傷的異質(zhì)性、運(yùn)動(dòng)損傷的數(shù)量和上下肢運(yùn)動(dòng)損傷的復(fù)雜性使得治療師的工作變得繁瑣及復(fù)雜，而不斷的重復(fù)任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練就涉及到康復(fù)治療師手法的強(qiáng)度頻率以及患者所能承受的疼痛極限。機(jī)器人的出現(xiàn)能夠提供給患者持續(xù)的、高強(qiáng)度的、高質(zhì)量的訓(xùn)練，同時(shí)將治療師從重復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作中解放出來(lái)，能夠?yàn)楦嗷颊咛峁┲委煛Ｄ壳芭R床上能夠提供重復(fù)任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練的器械有很多，從簡(jiǎn)單的關(guān)節(jié)恢復(fù)器(CPM)到智能康復(fù)機(jī)器人。簡(jiǎn)單的CPM能夠提高關(guān)節(jié)活動(dòng)度，避免肌肉萎縮，肌腱和韌帶粘連，頻繁被用于關(guān)節(jié)以及上肢運(yùn)動(dòng)損傷的康復(fù)。法國(guó)Kinetec的Centura Shoulder CPM設(shè)備是一種常見重復(fù)性功能訓(xùn)練設(shè)備，其單個(gè)自由度致動(dòng)模塊固定在座椅或支架上能夠提供單自由度連續(xù)的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。CPM在臨床中主要應(yīng)用于關(guān)節(jié)恢復(fù)以及簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)損傷患者，而在一項(xiàng)對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，作者將CPM應(yīng)用于腦卒中偏癱患者的康復(fù)治療中，發(fā)現(xiàn)CPM改善患者上肢功能有著積極作用[26]。Armeo-Power(AP)是現(xiàn)在商業(yè)化的一款非穿戴外骨骼支撐式的上肢康復(fù)機(jī)器人，具有全自由度被動(dòng)與主動(dòng)訓(xùn)練模式結(jié)合的康復(fù)訓(xùn)練方式，它使用了簡(jiǎn)單但引人入勝的游戲來(lái)提高患者的參與度。在一項(xiàng)針對(duì)AP的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過為期8周，每周5次，每次1小時(shí)的重復(fù)任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練后患者受影響的大腦半球皮質(zhì)可塑性增強(qiáng)[27]。而在另一項(xiàng)針對(duì)中風(fēng)患者PT和OT訓(xùn)練重復(fù)次數(shù)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，患者具有任務(wù)導(dǎo)向性的重復(fù)訓(xùn)練比單純的被動(dòng)與主動(dòng)訓(xùn)練對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)能力的改善更為明顯[28]。

兩類損傷患者對(duì)機(jī)器人的安全性、穩(wěn)定性有著十分嚴(yán)苛的要求，由于人體關(guān)節(jié)的復(fù)雜程度以及患者肢體不同程度的損傷，機(jī)器人硬件較復(fù)雜、質(zhì)量較大，在人機(jī)結(jié)合訓(xùn)練時(shí)的穩(wěn)定性與安全性是所有設(shè)計(jì)者都必須考慮的問題。人體關(guān)節(jié)的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心隨關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而變化，因此和人體解剖學(xué)的正確對(duì)齊顯得十分關(guān)鍵。此外，確保機(jī)器人能夠快速響應(yīng)，力和功率能夠長(zhǎng)距離傳輸，盡可能小的減少關(guān)節(jié)之間的相互作用以避免軌跡偏移[29]。在解放治療師的同時(shí)，它的復(fù)雜性也決定了需要在他人的監(jiān)督下進(jìn)行使用，不同病患的肢體參數(shù)需要不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)。醫(yī)生和患者希望機(jī)器人能夠按照事先規(guī)定的軌跡進(jìn)行移動(dòng)，能夠在智能的同時(shí)平穩(wěn)安全的運(yùn)行，完成訓(xùn)練任務(wù)。

好的治療方法能夠在輔助患者的同時(shí)減輕康復(fù)人員的工作量，非機(jī)器人輔助治療目前仍作為康復(fù)手段的主流，神經(jīng)與運(yùn)動(dòng)損傷在受傷機(jī)理上的不同決定了兩者在治療時(shí)有所偏重。但是，有著共同目的決定了兩者在一些方法上只需要改變強(qiáng)度、劑量、頻率，對(duì)患者一樣促進(jìn)效果，對(duì)于治療師來(lái)說(shuō)能夠更好地利用現(xiàn)有設(shè)備對(duì)兩者進(jìn)行康復(fù)治療。

3 現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人存在的問題以及未來(lái)展望

機(jī)器人康復(fù)無(wú)疑正在經(jīng)歷一個(gè)快速增長(zhǎng)的時(shí)期，然而目前大部分設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人主要目的是為了治療中風(fēng)損傷、脊髓損傷等神經(jīng)性疾病，而實(shí)際上在康復(fù)治療中對(duì)于運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的需求也是很迫切的。然而，現(xiàn)有的一些康復(fù)機(jī)器人在功能增加的同時(shí)，價(jià)格、體積、重量也相應(yīng)增加，大多數(shù)患者并不具備購(gòu)買與配置康復(fù)機(jī)器人的客觀條件，因此將康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用到每一個(gè)患者的康復(fù)階段的條件還不成熟?，F(xiàn)有一些研究證明了機(jī)器人輔助治療的一些優(yōu)點(diǎn)，但是并沒有明確的證據(jù)能夠證明機(jī)器人治療完全可替代治療師的工作。

在不久的將來(lái)或許具備運(yùn)動(dòng)康復(fù)與神經(jīng)康復(fù)復(fù)合功能的康復(fù)機(jī)器人將會(huì)被更廣泛地運(yùn)用于臨床治療。針對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)機(jī)器人可以將其設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在骨骼、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、肌肉力量恢復(fù)上； 而針對(duì)神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人可繼續(xù)著重于神經(jīng)重塑理論，加強(qiáng)患者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的意識(shí)。隨著科技發(fā)展，具有高安全性、多訓(xùn)練模式結(jié)合、訓(xùn)練方法一體的多功能康復(fù)機(jī)器人將會(huì)成為康復(fù)治療的新方向。