融合视听触反馈的任务导向性康复机器人技术展望与临床应用

Abstract

脑卒中、脊髓损伤等多种神经系统疾病常导致患者的上肢运动功能发生不可逆转的损伤，成为患者长期残疾的重要原因之一[1]。针对这些患者进行运动功能的康复训练具有重要的临床意义。任务导向性康复训练可促进运动功能恢复并诱导脑损伤后的神经可塑性变化，被认为是一种具有巨大潜力的临床康复方法[2]。近年来，得益于机器人技术在提供精准定量、高度可重复性评估和训练方面的优势，任务导向性康复理论和方法在机器人辅助康复领域被广泛应用。既往研究中涵盖的镜像康复机器人[3]、双边康复机器人[4]、腕关节康复机器人[5]、手功能康复手套[6]等系统已被开发并应用于临床治疗。这些系统也可与虚拟现实技术相结合，以提供更真实的任务渲染环境，进一步提高患者在任务训练过程中的沉浸感和参与感，有效改善患者的康复训练效果和依从性。与传统康复治疗相比，康复辅助机器人在临床上的增益效果并不显著。近年来，多篇发表于Lancet的多中心临床随机对照试验显示，康复机器人在改善上肢运动功能方面并未表现出较常规护理更高的疗效[7—8]。这也揭示了康复辅助机器人目前面临的关键挑战。与传统临床康复治疗师相比，康复辅助机器人治疗存在以下不足：①缺乏治疗师与患者的直接肢体接触（触觉反馈），难以诱导正确任务动作并及时抑制异常动作；②缺少治疗师的语义指导（听觉反馈）；③缺乏感情支持和激励（多感觉反馈）。尽管康复机器人在高强度、重复性方面具有显著的技术优势，但在情感和感官反馈方面的不足可能限制其临床效果发挥。多感觉刺激被证实对神经损伤后功能恢复具有显著优势，不同形式的躯体感觉刺激可扩大初级运动皮层（primary motor cortex，M1）中躯体映射表征并提高运动任务表现[9]。2019年Nature发表的一项研究表明，感觉体验会重塑大脑神经环路中基因结构并驱动运动学习，提高运动学习和记忆的适应性改变[10]。为脑卒中小鼠提供丰富的物理性和社会性刺激（如不同的声音、亮度、气味、色彩等刺激等），创建新颖且互动性强的丰富环境可以有效促进突触结构的修复和功能恢复，对卒中后肢体运动和认知功能恢复具有积极影响[11]。因此，在康复任务训练中融合视、听、触等感觉反馈对增强康复效果起着重要作用。未来，有望应用新的控制算法集成多种感觉刺激（视觉、听觉、触觉）与机器人反馈系统，实现神经损伤患者与康复机器人之间的高效交互[12]。综上所述，未来康复机器人技术需要在任务导向性训练的基础上、进一步融合多感觉反馈和人机情感交互[13]，通过强化发生感觉整合区域增强神经回路的重复性和稳定性来促进神经可塑性，将有望突破目前康复机器人在临床神经康复中的局限，提升神经损伤患者康复效率。