智能化设备为患者康复管理提供新思路

——腦卒中康復技術(shù)研究現狀及前沿進(jìn)展（下）

□摘編自國家藥監局醫療器械注冊管理司、中國生物醫學(xué)工程學(xué)會(huì )編印的《醫療器械科技前沿》2023第3期 程翔 李翀 潘鈺 李增勇 霍聰聰

        腦卒中康復治療技術(shù)

        卒中后功能恢復的關(guān)鍵驅動(dòng)因素是神經(jīng)功能重組，可由康復干預措施誘發(fā)，如物理治療、作業(yè)療法等。傳統康復療法仍是康復醫學(xué)科治療卒中的主要方法，通過(guò)感覺(jué)運動(dòng)系統不斷向中樞神經(jīng)輸入刺激，以促進(jìn)中樞神經(jīng)系統重塑，從而不同程度促進(jìn)卒中后各種功能恢復。目前，康復治療的理念正從肢體康復轉向大腦和肢體協(xié)同康復，以大腦的可塑性以及神經(jīng)通路的重塑為基礎，提出腦卒中后運動(dòng)功能康復“中樞-外周-中樞”閉環(huán)干預模式，針對性地促進(jìn)中樞重塑和外周控制，進(jìn)而促進(jìn)功能恢復。

        針對腦卒中重癥患者的特殊性，智能康復治療系統目前主要分為兩類(lèi)。一類(lèi)是傳統的超早期床旁康復機器人輔助系統。傳統的超早期床旁康復機器人輔助系統根據其功能又可分為主被動(dòng)肢體活動(dòng)設備、站立輔助設備等。另一類(lèi)是應用了腦機接口技術(shù)等新技術(shù)為輔助的新型康復治療系統，腦機接口技術(shù)、虛擬現實(shí)技術(shù)、神經(jīng)調控技術(shù)是目前應用較多的類(lèi)型。

        智能康復機器人

        康復機器人是醫療機器人的一個(gè)重要分支，結合了康復醫學(xué)、生物力學(xué)、機械力學(xué)和計算機科學(xué)等，可提供重復性、特異性、定量化運動(dòng)訓練，也可提供客觀(guān)即時(shí)的訓練數據和評估數據，幫助運動(dòng)功能障礙患者實(shí)現高效的康復訓練。

        上肢智能康復機器人?上肢康復機器人有末端牽引式和外骨骼式兩種類(lèi)型。上肢機器人系統集成柔性傳動(dòng)、力反饋技術(shù)和三維運動(dòng)軌跡捕捉，實(shí)現機器人運行平滑柔順，增強人機交互感；可匯集多種功能訓練模式，通過(guò)難度漸進(jìn)的目標導向性訓練和精確客觀(guān)的評估數據分析，將沉浸式交互游戲融入訓練之中，有效地促進(jìn)卒中患者運動(dòng)再學(xué)習的過(guò)程。功能導向性訓練結合本體感覺(jué)和運動(dòng)感覺(jué)等多感官重復綜合刺激，激活大腦皮層，促進(jìn)大腦神經(jīng)元可塑性，可有效實(shí)現上肢功能改善。機器人技術(shù)的應用可有效解決傳統康復治療的局限性，實(shí)現一對多的治療模式，優(yōu)化醫療資源。

        下肢智能康復機器人?卒中后下肢運動(dòng)功能障礙，包括下肢肌張力增高、關(guān)節活動(dòng)度受限、肌力下降、協(xié)調及平衡功能降低等，難以將負重、邁步、平衡三大關(guān)鍵要素有效結合，進(jìn)而導致無(wú)法行走或異常步態(tài)特征，表現為步態(tài)不對稱(chēng)性、耗能增加、穩定性下降等。早期康復介入是卒中患者建立正確步行模式的關(guān)鍵。在卒中康復中，下肢外骨骼康復機器人結合康復醫學(xué)、計算機科學(xué)、生物力學(xué)和人工智能等多領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識，通過(guò)模擬正常步行規律，為患者提供重復性、一定強度的、任務(wù)導向的運動(dòng)，讓患者重新學(xué)習走路和恢復下肢肌肉力量，恢復神經(jīng)系統對下肢的控制能力，最終達到恢復運動(dòng)功能的目的。研究顯示，智能康復訓練機器人在提高患者下肢運動(dòng)功能、改善步行能力及日常生活能力方面對患者有重要意義。

        下肢康復機器人根據其輔助步行訓練的特點(diǎn)可分為基于平板訓練的減重機器人系統和平地行走訓練機器人兩大類(lèi)。其中，基于平板訓練的減重機器人常用的如Lokomat訓練系統和反重力跑臺，可以提供一定體重支撐，帶動(dòng)患者下肢在跑步機上進(jìn)行步態(tài)康復訓練。平地行走訓練機器人可進(jìn)一步分為雙側下肢機器人和單側下肢機器人系統。單下肢偏癱康復機器人通過(guò)采集患者健側主動(dòng)運動(dòng)的步態(tài)信息、研判患者的運動(dòng)意圖、分析并學(xué)習其步態(tài)特征，帶動(dòng)患側進(jìn)行與健側相適應的運動(dòng)再學(xué)習康復訓練，從而促進(jìn)腦神經(jīng)控制功能重塑，使患者逐步恢復正常的行走步態(tài)，實(shí)現主動(dòng)化、個(gè)性化、系統化、精準化康復。該類(lèi)產(chǎn)品集成功能重建、意圖識別、智能交互以及人體工程學(xué)輕量化設計，實(shí)時(shí)準確識別和監測健側肢體意圖和步態(tài)信息，引領(lǐng)患側進(jìn)行雙側聯(lián)合訓練，為患者提供個(gè)性化精準輔助，促進(jìn)神經(jīng)回路重建，實(shí)現下肢功能康復。

        腦卒中重癥智能康復機器人?在腦卒中重癥患者的康復治療中，智能康復機器人同樣有著(zhù)廣泛的應用，其具有的安全性及有效性已得到廣泛驗證。德國MOTOmed公司研發(fā)的letto2高移動(dòng)性末端牽引構型康復機器人適用于床旁早期康復，研究發(fā)現其可以降低重癥患者肺栓塞的發(fā)生率、嚴重多器官功能障礙發(fā)生率和死亡率；美國Columbia University研發(fā)了輕量化可重構的索并聯(lián)外骨骼式康復機器人，為重癥康復裝備研究開(kāi)辟了一個(gè)新的方向。意大利University of Padua開(kāi)發(fā)的NeReBot機器人，是一種改善上肢肩肘腕關(guān)節功能的低成本便攜式康復機器人，被證實(shí)可以改善急性期腦卒中患者上肢運動(dòng)功能。清華大學(xué)、上海理工大學(xué)和中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所等研究機構研制了一系列移動(dòng)式上/下肢康復機器人，臨床實(shí)踐表明，輕量化可重構機構康復訓練機器人，可以在滿(mǎn)足軀體訓練的同時(shí)適應不同患者、非結構化的ICU環(huán)境等需求。

        此外，腦卒中重癥患者長(cháng)期臥床狀態(tài)導致血容量下降、自主神經(jīng)功能失調等，常使這類(lèi)患者出現體位性低血壓以及直立性暈厥等不良事件，因此疾病早期的體位轉移及站立訓練十分重要。輔助站立設備作為一類(lèi)成熟的針對重癥患者的康復設備，目前被廣泛應用于腦卒中重癥患者的康復治療中。近年來(lái)，部分公司將神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)和機器人輔助主被動(dòng)活動(dòng)裝置整合進(jìn)輔助站立設備，被證實(shí)在改善腦卒中重癥患者肢體活動(dòng)及自主站立能力方面療效顯著(zhù)。

        腦機接口技術(shù)

        腦機接口技術(shù)作為近年來(lái)神經(jīng)科學(xué)的熱門(mén)研究方向，已經(jīng)被諸多研究證實(shí)可以有效提升康復治療效果。腦機接口技術(shù)目前主流的類(lèi)型為基于腦電圖的腦機接口技術(shù)。在這方面，清華大學(xué)團隊提出了面向患者個(gè)體差異性的腦機交互康復訓練技術(shù)，通過(guò)腦電分析技術(shù)表征卒中患者神經(jīng)重組過(guò)程的個(gè)體差異性，基于個(gè)性化神經(jīng)重組特征的腦機接口導聯(lián)選擇算法，提出了結合神經(jīng)調控的運動(dòng)意圖表達增強方法，促進(jìn)卒中患者神經(jīng)重組過(guò)程，促進(jìn)構建其神經(jīng)重組腦區和行為動(dòng)作之間的內部聯(lián)系，取得了較好的臨床效果。清華大學(xué)附屬北京清華長(cháng)庚醫院潘鈺團隊發(fā)現基于運動(dòng)想象的腦機接口康復訓練能改善亞急性期腦卒中患者上肢運動(dòng)功能，促進(jìn)腦功能網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)，實(shí)現全腦功能重塑，并通過(guò)與人工智能結合實(shí)現對腦卒中患者運動(dòng)功能障礙識別及個(gè)體化運動(dòng)處方指導。Omid Dgehzang等人基于視覺(jué)誘發(fā)電位，應用便攜式腦機接口設備結合高斯混合模型來(lái)實(shí)現對不能言語(yǔ)的重癥患者言語(yǔ)識別，這一發(fā)現極大程度促進(jìn)了言語(yǔ)功能受限的重癥患者言語(yǔ)溝通能力。

        基于腦電信號的腦機接口技術(shù)在亞急性期及慢性期的腦卒中患者的康復治療領(lǐng)域應用廣泛，且設備相對成熟。但由于腦機接口技術(shù)的應用需要患者實(shí)時(shí)反饋，大部分腦卒中重癥患者并不具備這種能力，因此腦機接口技術(shù)在腦卒中重癥康復領(lǐng)域有待進(jìn)一步的研究及應用推廣。

        神經(jīng)調控技術(shù)

        康復治療技術(shù)正從肢體康復轉向肢體-大腦協(xié)同康復，各種形式的神經(jīng)環(huán)路調控技術(shù)得到快速發(fā)展。神經(jīng)環(huán)路調控技術(shù)是指通過(guò)侵入性或非侵入性手段，利用光、磁、電、超聲等物理因子來(lái)改變中樞/外周神經(jīng)系統信號傳遞，調節神經(jīng)元及其所在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )興奮性，并可能建立補償性的新環(huán)路和新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，是解析腦功能及治療神經(jīng)系統疾病的有效手段。神經(jīng)環(huán)路調控技術(shù)包括侵入性和非侵入性?xún)煞N。其中，侵入性調控技術(shù)包括深部腦刺激（DBS）和迷走神經(jīng)刺激（VNS）等；非侵入性刺激主要包括經(jīng)顱磁刺激（TMS）、經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）及外周神經(jīng)肌肉電刺激（PNES）等。

        非侵入神經(jīng)調控技術(shù)具有無(wú)創(chuàng )、安全、參數和靶點(diǎn)可調等優(yōu)點(diǎn)，在神經(jīng)康復領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。其中，TMS的原理是利用一系列電磁脈沖刺激大腦皮層，從而影響腦內代謝和神經(jīng)電活動(dòng)。除了短暫地誘導或干擾神經(jīng)活動(dòng)外，TMS的應用可通過(guò)長(cháng)期增強或長(cháng)期抑制機制促進(jìn)皮層興奮或抑制。XIN GE和YUE ZHANG等人發(fā)現對右側背外側前額葉10 Hz 重復TMS（rTMS）治療可以改善腦卒中患者早期意識障礙，加速患者的康復進(jìn)程。Fisicaro等人研究表明，rTMS對上肢功能康復有積極作用。Krawinkel等人對卒中患者進(jìn)行了手部運動(dòng)和經(jīng)顱交流電刺激（tACS）相結合的臨床試驗，結果發(fā)現刺激可削弱半球間過(guò)度耦合，提高手部控制能力。F. Fisicaro，G.Lanza等人通過(guò)meta分析發(fā)現rTMS在改善急性腦卒中痙攣和認知障礙上效果明顯。

        目前，臨床康復中常用的TMS技術(shù)主要為單脈沖TMS和重復TMS，分別用于檢測神經(jīng)通路完整性、誘發(fā)大腦活動(dòng)的可塑性變化。theta節律波刺激（TBS）的形式也被應用于神經(jīng)康復中。此外，經(jīng)顱磁刺激結合雙拍成對刺激，可實(shí)現雙靶點(diǎn)同步關(guān)聯(lián)刺激，實(shí)現協(xié)同效果，增強功能康復。TMS的優(yōu)勢是非侵入性、安全性較好，適用于配合度較低的患者，同時(shí)還可作為大腦皮質(zhì)興奮性和中樞傳導時(shí)間的測評工具。目前，TMS在治療卒中后運動(dòng)、認知、言語(yǔ)、吞咽、情感等功能障礙方面積累了一些證據，有望成為卒中康復領(lǐng)域中一種具有較好治療前景的無(wú)創(chuàng )神經(jīng)調控技術(shù)。該技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛應用于腦卒中患者康復治療中，但在腦卒中重癥患者中使用的安全性和有效性，仍缺乏更高級別證據，且具體治療方案仍無(wú)統一共識，這也限制了神經(jīng)調控技術(shù)在腦卒中重癥領(lǐng)域的應用。

        虛擬現實(shí)技術(shù)

        MV Dolganov和MI Karpova等人將虛擬現實(shí)技術(shù)引入腦卒中重癥患者上肢運動(dòng)功能訓練，驗證了虛擬現實(shí)技術(shù)在腦卒中重癥急性期應用的安全性及有效性。Sze Chit Leong對虛擬現實(shí)、增強現實(shí)、混合現實(shí)技術(shù)在急性腦卒中患者上肢功能應用的研究進(jìn)行了meta分析，發(fā)現基于虛擬現實(shí)及混合現實(shí)的智能康復方案明顯優(yōu)于傳統治療方案。不僅如此，虛擬現實(shí)技術(shù)還被應用于腦卒中重癥昏迷患者促醒治療中，虛擬現實(shí)技術(shù)可以與外周多感覺(jué)刺激結合，呈現具象化的反饋增強多感官刺激，從而實(shí)現促醒作用，并且可以增強患者神經(jīng)可塑性。

        綜上，通過(guò)虛擬現實(shí)場(chǎng)景將患者康復訓練任務(wù)、精細軀體運動(dòng)和腦機接口技術(shù)相結合將成為腦卒中重癥康復治療系統的研究趨勢。若將智能康復評估系統與康復治療系統有機集成，可以在保證重癥救治效率的同時(shí)最大化維持和改善患者身體機能。

        腦卒中智能信息化系統

        腦卒中患者康復是體系化過(guò)程，制定個(gè)體化、精細化、全程化的康復治療方案是重中之重。臨床上，腦卒中運動(dòng)功能康復需要經(jīng)歷評估－康復－再評估－持續康復－療效隨訪(fǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程非常依賴(lài)康復醫師及治療師臨床經(jīng)驗。因此，制定一套可以收集并反饋的腦卒中患者疾病全過(guò)程智能康復信息化系統顯得尤為必要。應通過(guò)自適應反饋機制和臨床評價(jià)，不斷優(yōu)化康復方案和技術(shù)路徑，結合臨床功能量表、電生理測試、生物力學(xué)測試、神經(jīng)影像學(xué)測試，開(kāi)發(fā)實(shí)現中樞-外周多模態(tài)信息的綜合量化評估技術(shù)，實(shí)現患者運動(dòng)功能障礙的定量化診斷，指導康復治療選擇，預測運動(dòng)功能障礙后的功能恢復。

        隨著(zhù)5G技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的相應平臺設備開(kāi)始出現。西班牙羅維拉一世維吉爾大學(xué)開(kāi)發(fā)的e-pemicu平臺，用于收集ICU患者早期康復評估及治療數據，被認為是智能康復信息系統的原型。該平臺將腦卒中重癥患者治療及評估信息電子化，為后期的研究提供便利。在國內，四川大學(xué)華西醫學(xué)院開(kāi)發(fā)了重癥臨床信息系統。該系統基于云平臺的重癥信息服務(wù)系統，為ICU醫務(wù)人員的臨床和科研活動(dòng)收集和處理重癥患者臨床醫療信息，提供輔助診療和決策支持。

        總結與展望

        康復訓練技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢將是融合中樞-外周多模態(tài)信息實(shí)現運動(dòng)功能障礙動(dòng)態(tài)評估、反饋，以精準的神經(jīng)環(huán)路為導向實(shí)現神經(jīng)調控與康復訓練協(xié)同優(yōu)化匹配，將康復技術(shù)與AI深度融合實(shí)現自適應智能交互與訓練，形成評估、訓練、反饋一體化平臺。此外，AI技術(shù)逐步應用于康復過(guò)程管理，如康復評估及訓練數據通過(guò)云平臺能同時(shí)跟蹤不同患者、不同設備的相關(guān)數據，通過(guò)大數據分析，提供輔助決策，實(shí)現腦卒中康復治療全程智能化、信息化管理，為腦卒中重癥患者最大程度功能恢復和提高生活質(zhì)量提供有效技術(shù)保障。高新技術(shù)的研發(fā)和臨床轉化與綜合的規范化康復治療相結合將是未來(lái)腦卒中康復發(fā)展方向。

（摘自中國醫藥報）