健康科学学院，CSEU拉萨尔- uam，西班牙
西班牙儿童大学医院运动分析实验室Niño Jesús
西班牙儿童大学医院Niño Jesús骨科外科创伤科神经矫形科
西班牙儿童大学医院Niño Jesús骨科外科创伤科神经矫形科
神经和认知工程组，西班牙国家研究委员会CAR，马德里(CSIC)，西班牙
神经和认知工程组，西班牙国家研究委员会CAR，马德里(CSIC)，西班牙
生物工程，CEU圣巴勃罗，西班牙
西班牙瓦伦西亚Biomecánica研究所
西班牙儿童大学医院运动分析实验室Niño Jesús
西班牙儿童大学医院运动分析实验室Niño Jesús
西班牙儿童大学医院Niño Jesús骨科外科创伤科神经矫形科
西班牙儿童大学医院运动分析实验室Niño Jesús
西班牙儿童大学医院运动分析实验室Niño Jesús
西班牙儿童大学医院运动分析实验室Niño Jesús
西班牙儿童大学医院Niño Jesús物理治疗科
西班牙儿童大学医院Niño Jesús骨科外科创伤科神经矫形科
DOI: 10.15761 / BRCP.1000106
脑瘫(CP)是最常见的疾病之一。保留一切权利它要求在卫生、教育和社会服务方面付出重大代价。脑瘫是由发育中的大脑内部的损伤或异常引起的，这些损伤或异常破坏了大脑控制运动和保持姿势的能力。此外，CP通常与感觉缺陷、认知障碍、沟通和运动障碍、行为问题、癫痫发作障碍、疼痛和继发性肌肉骨骼问题有关。根据文献，电机模块是与自动电机控制相关的外围测量。在评估不同的治疗方法后，缺乏证据表明CP患儿的运动模块发生了变化。因此，需要新的策略来改善这一人群的运动控制。
基于机器人的治疗正在成为一种有效的干预运动障碍，如中风、脊髓损伤和CP的步态康复。大量的临床证据表明，神经可塑性是运动恢复和发展的核心，并且正在进行的研究表明，机器人介导的强化治疗可能有助于改善功能恢复。然而，目前的机器人策略主要集中在促进重复运动的外周神经系统(PNS)上(自下而上的方法)。由于CP主要影响大脑结构，PNS和中枢神经系统(CNS)都应该整合到物理和认知康复治疗中(自上而下的方法)。
本文讨论了基于新型机器人辅助康复系统的自顶向下方法的观点。因此，开发了CPWalker机器人平台来支持CP康复的新疗法。这个机器人平台(智能步行者+外骨骼)由一个多模式接口控制，使CP婴儿能够与基于机器人的治疗相互作用。这些治疗的目的是通过自上而下的方法来提高CP婴儿的身体技能，其中运动相关的大脑活动被用来驱动机器人物理康复治疗。我们的假设是CPWalker概念将促进运动学习，这种改善将导致自动运动控制的显著改善。
脑瘫，康复机器人，自上而下的方法，运动控制，步态
脑瘫(CP)是一个术语，可以定义为“一种持续但不是不变的运动和姿势障碍，出现在生命的早期，由于大脑的非进行性障碍，在其发育过程中受到干扰的结果”[1,2]。CP通常与感觉缺陷、认知障碍、沟通和运动障碍、行为问题、癫痫发作障碍、疼痛和继发性肌肉骨骼问题有关。此外，CP是儿童期永久性严重肢体残疾的重要原因，近年来重度残疾儿童的生存率有所上升[3]。因此，越来越多患有CP的儿童学会了以不正常的方式走路，这种低效的步态随着孩子的成长和体重的增加而加剧。
在某些情况下，继发性肌肉骨骼病理的发展会导致功能丧失、步态障碍、疲劳、活动限制和参与限制。CP肌肉骨骼损伤的最佳治疗方法之一是骨科手术，其主要技术是单事件多节段骨科手术(SEMLS)[4]。该手术由两种或两种以上的软组织或骨骼手术技术组成，在一个单一的手术过程中，在两个或多个解剖水平上进行[5]。在此过程之后，通常需要2年的时间才能达到适当的功能水平。因此，需要新的策略来帮助促进、维持和恢复功能能力，从而减少所需的奉献和援助，以及这种情况对患者、护理人员和整个社会的经济需求[6]。
实验证据表明，各种各样的人类运动行为是由一些可能位于脊髓或中脑中心的基本运动模块组合所限制的。每个运动模块都涉及一个基本的激活模式，其分配到不同肌肉的权重是可变的[7,8]。从这个意义上说，肌肉协同的概念已经在神经科学中出现，并被提出作为神经控制正常运动的机制[9]。健康受试者的肌肉协同作用代表了在自然运动行为中可靠地产生运动功能的功能性肌肉协调模式(4-5步态协同作用)[7,9,10]。有趣的是，据报道，患有CP的儿童步态中协同作用的数量减少(2-3个协同作用)。此外，没有观察到步态障碍治疗方法带来的变化[12,13]。
已提出整合高强度、任务相关的运动策略，以及非侵入性治疗、手术干预和新技术(如机器人平台)的综合结合，以改善当前的康复策略[14]。根据一项双中心调查[15]，这些策略没有出现严重的副作用，绝大多数儿童都有很高的参与动机，并且在整个训练期间都能保持这种动机。此外，临床经验表明，对于有相当认知缺陷的儿童，使用机器人辅助治疗比传统的地面训练更有效地进行步态训练[16]。
传统的机器人平台，如Lokomat(瑞士Hocoma AG)，使用的策略是基于由外周物理治疗触发的运动控制重组(自下而上的方法)。然而，CP主要影响大脑结构，这表明外周神经系统(PNS)和中枢神经系统(CNS)都应纳入物理和认知康复治疗[17]。目前的研究表明，将中枢神经系统整合到人-机器人回路中可以最大限度地提高治疗效果，特别是在婴儿中，因为它增强了治疗依从性。这种方法被称为自上而下的方法[17]:肢体的运动模式在皮层中被表示，传递到肢体，并反馈到皮层。尽管该方法在其他人群(如中风[18])中已有研究，但在CP中缺乏研究[19]。值得强调的是，与成年患者相比，目前建议的目标患者幼儿表现出更高的大脑可塑性，并且他们更有可能在干预后改变运动模式。
为了支持使用CPWalker作为一种新的CP康复方法，进一步提出了一项验证研究。CPWalker提供了一个由用户控制的机器人平台(自上而下的方法)，通过它，婴儿可以开始在康复环境中体验自主运动。婴儿和机器人平台之间的交互是通过多模态人机界面(MHRI)进行的。该MHRI由一个脑电图(EEG)采集单元和一个肌电(EMG)系统组成，用于测量残余运动和激活策略。这种多模态接口的基本原理是允许综合PNS和CNS的身体和认知干预。MHRI与治疗选择任务的相互作用将基于意志运动计划，目的是促进运动计划大脑结构的重组，从而将中枢神经系统整合到治疗中。
这项高度跨学科的研究代表了一个独特的框架，将使我们能够收集以前从未捕获过的CP儿童的行为和神经生理数据，这将为机器人辅助疗法在个体水平上对儿童病理步态的影响提供更深入的理论见解。
最后，在康复期间的积极参与被认为是实现良好运动结果的关键因素。据报道，患有CP的儿童在掌握、愉悦和社会坚持的维度上的动机得分比在认知或运动任务的坚持维度上的动机得分要高得多，而认知或运动任务的动机得分最低，这表明在长时间的运动康复计划中很难保持动机[20]。本研究提出的自上而下的方法旨在通过促进患者在治疗过程中的积极参与来解决这一问题[18]。
实验设置基于机器人平台CPWalker，该平台由以下子系统组成:1)具有体重支撑的智能步行者，2)可穿戴外骨骼机器人(ER)， 3) MHRI和4)软件分析工具(图1和2)。基于该方法，CPWalker将为CP婴儿提供物理和认知治疗的新概念，从而实现PNS和CNS的综合物理和认知干预。这将通过多种方式实现:
图1所示。CPWalker机器人平台示意图
Figure2。CPWalker机器人平台的原型和为平台设计的外骨骼
该临床试验旨在测试机器人辅助治疗与MHRI接口相结合在CP患儿步态恢复过程中的优越性，与外周驱动的相同治疗相结合。受试者将按块随机分组随机接受有MHRI的机器人训练或无MHRI的机器人训练。每个受试者将在三周内每天接受CPWalker培训，每周五次(工作日)，每次45至60分钟。在整个过程中，一名合格的研究人员将始终在场。拟议的临床试验将基于CPWalker机器人平台和临床实践和临床康复环境中常用的标准尺度，因此实验期间的协议将接近临床环境的复制。
本研究提出的概念旨在通过使用基于机器人的强化康复计划和自上而下的方法来缩短康复周期，这将改善CP儿童的运动控制。本文提出的假设是基于增强的大脑可塑性和CPWalker机器人康复平台训练的运动学习的关键作用。这一假设基于以下假设:
本研究提出了一种新的治疗方法，通过使用一种新型的移动机器人步态训练器来加速和改善CP儿童的康复过程。CPWalker能够实现动态体重支持训练和约束诱导运动治疗的策略，以促进受影响的大脑结构的变化，从而触发正常的步态模式。配备传感器的平台还可以研究肌肉激活模式的重组(在CNS和PNS)，作为客观评估治疗结果的一种手段，也有助于阐明介导这种恢复的神经机制。
该项目建立在先前大量临床证据的基础上，这些证据表明神经可塑性是运动发育的核心，并且研究表明机器人介导的强化治疗有助于改善功能恢复[18]。这些方法需要改进和严格分析，以确定它们对不同程度的感觉运动或认知障碍或两者兼而有之的儿童的功能益处。
目前关于新技术在康复过程中的功效的证据仍然很少。新颖的研究必须包括后续测量，以确定获益是否会对CP儿童产生长期和持久的影响。我们提出的平台和在临床实践中使用的方法将允许作者实施此类研究并精确评估不同控制策略对该人群的影响。评估将根据从卫生和健康研究所获得的信息得出的客观衡量标准进行。
对机器人康复平台的临床验证必须进行随机临床试验。我们建议将有MHRI的机器人训练与没有MHRI的机器人训练进行比较[21]。此外，必须解决具体的客观和主观评估工具，以建立一个新的康复策略[22-25]。
运动控制的改进离不开基础的学习。因此，CPWalker概念被设计为创建一个重复性任务导向的训练，寻找动机和重复作为神经可塑性触发因素的强大联盟[21,26,27]。
总之，所描述的原型已被设计用于为CP儿童的治疗引入新的康复疗法。未来临床验证获得的结果将为证明使用自上而下的基于机器人治疗的方法提供重要的结果。
本文所介绍的工作是在Economía竞争部门的财政支持下进行的，合同DPI2012-39133-C03-01，“CPWalker -脑瘫患者步态康复和训练的机器人平台”。
那种Nishizawa
军事大学
的角度来看
收稿日期:2016年2月25日
录用日期:2016年3月24日
发布日期:2016年3月28日
©2016 Lerma Lara s .这是一篇根据知识共享署名许可协议发布的开放获取文章，该协议允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，前提是要注明原作者和来源。
Lerma Lara S, Martínez Caballero I, Bayón C, del Castillo MD, Serrano I(2016)基于机器人的自上而下康复疗法能否改善脑瘫儿童的运动控制?CPWalker项目的视角。生物医学与临床应用1:DOI: 10.15761/BRCP.1000106
CSEU La Salle-UAM健康科学学院，西班牙马德里，电话:+34-917401980，传真:+34-913571730
图1所示。CPWalker机器人平台示意图
Figure2。CPWalker机器人平台的原型和为平台设计的外骨骼
