机器人阻力步态训练结合自我意识生物反馈改善脑瘫成人足部滚动功能的创新研究

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Improving Foot Rocker via Robot-Resisted Gait Training with Self-awareness Biofeedback in Adults with Cerebral Palsy

　　本文针对脑瘫（CP）患者足部滚动（foot rockers）功能障碍问题，研究团队开发了机器人阻力跑步机训练与实时听觉生物反馈序贯干预方案。结果表明：该方案显著提升了胫骨前肌（TA）早期站立相激活度（p<0.05）和比目鱼肌（SOL）/腓肠肌（GA）推进期激活水平（p<0.05），并改善步长、足廓清能力等时空参数。研究首次实现脑瘫成人群体从器械训练到地面行走的运动模式迁移，为神经康复领域多模态干预策略提供新范式。

　　

脑瘫（Cerebral Palsy, CP）作为一种非进行性神经系统障碍，常导致患者出现蹲伏步态（crouch gait）和足部滚动机制异常。传统康复训练虽能改善整体步态模式，但对足部滚动——即足跟摇滚（heel rocker）、踝关节摇滚（ankle rocker）和前足摇滚（forefoot rocker）这一系列支撑相关键动作链的关注不足。更严峻的是，现有机器人辅助训练的效果往往难以迁移到日常行走场景，而针对成年CP患者的干预研究尤为匮乏。

为破解这些难题，研究团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》发表创新性研究，通过机器人阻力训练与自我意识生物反馈的序贯结合，首次系统性地靶向改善成年CP患者的足部滚动功能。该方案突破传统单一模态局限，将隐含性运动学习（implicit motor learning）与显性意识反馈（explicit awareness feedback）有机融合，为神经康复领域开辟了新路径。

关键技术方法包括：1）采用电缆驱动机器人系统对骨盆施加10%体重的向下阻力进行跑步机训练；2）基于智能鞋垫的力敏感电阻（FSR）传感器实时检测足跟触地（heel strike, HS）和推进期（push-off）事件；3）通过定制化听觉提示提供步态周期生物反馈；4）整合运动捕捉（100 Hz）、表面肌电（2000 Hz）和地面反作用力（vGRF）多模态数据量化评估5名双瘫型CP成人患者的步态参数、关节运动学和肌肉激活模式。

研究结果通过多维度指标验证干预效果：

一、跑步机训练成果

第六次训练（T6）时，步长显著增加（p<0.05），双支撑相时间减少（p<0.05），自选步行速度从0.55±0.088 m/s提升至0.86±0.278 m/s。vGRF曲线出现健康人群特有的双峰特征，斯皮尔曼相关系数（SCC）从0.50±0.16提升至0.74±0.15（p<0.05），欧几里得距离（ED）从6.15±1.51下降（p<0.05），表明足部接触模式趋近正常。

二、过度行走改善效应

训练后步长增加43%，足廓清高度提升62%，站立相百分比下降5.6%（均p<0.05）。足角轨迹显示HS时足尖上扬姿势改善（p<0.05），运动范围（ROM）对称性提高（p<0.05）。下肢关节角度分析显示髋关节和膝关节在站立相（30%-60%步态周期）伸展度显著增加（p<0.05），呈现更直立的下肢对线。肌电数据证实TA在HS期（0-10%周期）激活增强，SOL/GA在推进期（40-60%周期）激活提升（均p<0.05）。

三、生物反馈调节作用

初期生物反馈行走时步长减小（p<0.05），但足廓清和HS角度改善（p<0.05），表明参与者通过意识调整步态策略。至T6期时空参数逐渐接近无反馈状态，体现运动模式内化过程。

讨论部分深入解析机制：阻力训练通过增强踝关节肌群控制力，促进足部滚动链的生物力学协调性；听觉反馈则通过提升HS和推进期的意识关注，巩固训练效果向日常行走迁移。参与者问卷调查（Likert量表评分4.0±0.7）证实生物反馈能增强足地接触意识，且100%推荐两种干预结合应用。

该研究的核心意义在于：1）首次针对成年CP群体建立足部滚动功能靶向训练范式；2）通过序贯式多模态干预破解器械训练迁移难题；3）为神经康复领域提供可量化的生物力学评估体系。未来可通过增加训练频次、个性化阻力参数优化及智能鞋垫技术升级，进一步提升临床适用性。这项研究不仅为CP步态康复提供新思路，更为其他神经系统疾病的运动功能重建贡献了方法论参考。