下肢康復機器人在脊髓損傷康復中的應用

姚嘉欣 李哲

[摘要] 下肢康復機器人是近年來康復醫學中的研究熱點，通過程序化的被動下肢運動，促進大腦可塑性的發生，增加患者的主動運動，改善患者下肢功能，對脊髓損傷患者的坐姿平衡，步行能力，獨立行走，多系統康復存在積極意義。經過近20年的高速發展，下肢康復機器人在治療脊髓損傷方面，其研發、評估、訓練和日常生活已較為成熟，雖不可避免存在一定局限性，但其未來發展也同樣是重點康復研究內容，本文對下肢康復機器人在脊髓損傷康復中的應用進行綜述。

[關鍵詞] 下肢康復機器人;下肢機器人;脊髓損傷;文獻綜述

[中圖分類號] R651.2? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-9701（2020）35-0187-06

[Abstract] Lower extremity rehabilitation robot is a research hotspot of rehabilitation medicine in recent years. Through programmed passive lower extremity movement， it can promote the occurrence of cerebral plasticity， increase patients' active movement and improve patients' lower extremity function， which has positive significance for patients with spinal cord injury in sitting balance， walking ability， independent walking and multi-system rehabilitation. After nearly 20 years of rapid development， the research， development， evaluation， training and daily life of lower extremity rehabilitation robot in the treatment of spinal cord injury have been relatively mature. Although there are certain limitations inevitably， its future development is also the focus of rehabilitation research. The application of lower extremity rehabilitation robot in the rehabilitation of spinal cord injury was reviewed in this paper.

[Key words] Lower extremity rehabilitation robot; Lower extremity robot; Spinal cord injury; Literature review

脊髓損傷（Spinal cord injury，SCI）是指由各種原因導致椎管內神經結構及其功能的損害，出現損傷水平及以下的運動、感覺、反射等脊髓功能障礙，是一種嚴重致殘性的疾病[1]。SCI可引發多種臨床綜合征和系統并發癥，導致患者生理機能紊亂，嚴重影響患者的生存能力。

近年來，SCI發病率在全球范圍內以較高速度攀升，關于SCI的治療已成為科研與醫療工作者的研究重點。既往通過甲基強的松龍為首的藥物治療[2];使用胚胎組織或細胞移植介導中樞神經系統軸突再生的移植治療[3];利用分子生物學和細胞學手段，將目的DNA片段轉移至特定細胞合成蛋白質的基因治療[4]，對SCI患者進行干預。但這些治療方法存在見效慢、副作用大、操作易失敗、花費高昂等缺點，而且對SCI患者下肢步行恢復效果不佳。

下肢康復機器人在治療SCI患者時，可以通過程序化的被動運動，改善患者步行能力，促進下肢功能的恢復，增強血液循環，降低肌肉張力，提升生活能力。

1 下肢康復機器人的發展

20世紀60年代，外骨骼機器人開始被研究用于提高軍人負重承載能力[5]。至20世紀80年代，下肢機器人研究達到起步階段，引起全世界科研和醫療工作者的重視。20世紀90年代，為了減輕治療師的體力勞動，達到運動控制與精準治療，開始出現自動化和機器人輔助的運動康復，將下肢康復機器人引入并應用于康復治療領域[6-7]。在近20年中，下肢康復機器人得到高速發展[8]。

下肢康復機器人通常使用懸吊減重技術進行步態訓練，懸吊減重是在患者胸部或腰部穿戴固定裝置，通過連接固定裝置及上方支架的繩索，達到牽提軀干，實現體重支撐與直立姿勢維持，完成部分站立康復的目的。進而在站立的基礎上，使用作用介質與患者足部相互作用，完成下肢交替運動的步態訓練。較為典型的懸吊減重步態訓練機器人有Lokomat、Mechanical Gait Trainer（MGT）、Haptic Walker、Auto Ambulator等。

下肢康復機器人在初始階段往往采用被動式訓練，如早期初始的Lokomat機器人和MGT機器人。此類機器人通過被動訓練可增加患者下肢運動功能，補充正常步行模式，調節失控的自主步態。但其訓練時強調重復連續被動運動，常為患者被動接收機器人帶動，執行固定軌跡運動，缺少主動參與的運動意圖。

為了改善患者主動性差，懸吊減重類機器人MGT在原有基礎上創新出Haptic Walker下肢康復機器人[9]。該機器人可通過調節末端腳踏板運動，模擬正常行走軌跡，完成多種復雜移動，其系統動態性結合虛擬現實技術，可以還原不同場景下的多樣化運動，提高了患者的主觀能動性，康復效果更顯著。

在2005～2007年間面世了具備7種工作模式的Kine Assist機器人、將自由度增加至3個的“靈活”Auto Ambulator下肢機器人與存在受試者自主主導和機器人驅動兩種模式的LOPES康復機器人，這三種機器人也同樣是減重懸吊下肢康復機器人中的一員[10-11]。此時的下肢康復機器人體積龐大，往往需要單獨放置，且安裝程序復雜繁瑣。在2008年，德國公司開發出Lokophelp步態訓練機器人[12]有效的解決了上述問題。該機器人運用了高模塊化設計方案，體積較小，易于安裝、組合、調試和拆卸，實現了不同坡度的調節，協助患者強化上下坡訓練。

減重懸吊裝置能夠減輕患者站立所需的主動支撐力量，在生命體征穩定的情況下早期介入疾病，實現加速站立與行走康復訓練，但使用減重裝置的步態訓練機器人可能會導致患者平衡感覺喪失，導致異常步態，不利于后期康復。此時，下肢康復機器人的研發開始傾向于獨立可穿戴下肢機器人，由穿戴式外骨骼和輔助移動裝置，或額外增加的穩定支撐結構組成，可進一步幫助患者進行平衡訓練與日?；顒?。

HAL（Hybrid assistive limb）下肢機器人作為世界上第一個生物體型可穿戴下肢康復機器人[13]，運用表面肌電信號采集使用者的運動意圖，完成起立、直立行走和上下樓梯等日常生活活動。與以往的減重懸吊下肢康復機器人不同，該機器人還增加了負重輔助，增加使用者承重能力，更貼合日常生活。

ReWalk康復機器人主要目標群體為可使用上肢及軀干功能輔助的SCI導致下肢完全或不完全截癱患者[14]，WA-H下肢機器人則是專為卒中偏癱患者研制的[15]。此類獨立可穿戴式步態機器人，機械矯形器更加近似于人類腿部結構，在彌補平衡訓練的同時，完成步態康復與日?；顒?，更具實用價值。下肢康復機器人20年間的持續發展，正是機器人領域朝向準確，高效，經濟，便利的目標大步跨越的過程，其巨大潛力將繼續吸引科研人員探索新方向，使患病家庭看到新生希望。

2 下肢康復機器人的分類

對于下肢康復機器人的科學研究，需經歷機械結構和步行模型的構建，動力學及運動學的分析，能量計算，步態規劃以及反饋再調等步驟。因其為機械學、電子學、生物醫學、臨床醫學等多學科結合產物，所以根據不同劃分標準，下肢康復機器人可有多種分類。

按照適用人群分類，可分為以下三類：①健康人：在特殊情境下增強健康人的運動功能，如伯克利全下肢外骨骼（Berkeley lower extremity exoskeleton，BLEEX）[16];②康復治療患者：下肢運動功能障礙患者步態康復訓練，如ReWalk[14];③殘障人士及部分老年人：輔助坐、站、行，完成日常活動，如HAL[17]。

根據控制參數分類，可分為以下四類：基于位置的控制，如Lokomat[18];基于力信息的人機交互控制，如ALEX（Active leg exoskeleton）[19];基于生物電信號的人機交互控制，如HAL[20]、LOPES[11];基于智能控制，如LEE K[21]。

根據關節驅動方式，可以分為四類：氣壓驅動，如Power assist wear by D. Sasaki[22];液壓驅動，如BLEEX[23];電機驅動，如Ekso[24];串聯彈性驅動器驅動，如NASA X1[25]。

3 下肢康復機器人治療SCI的原理

SCI后通過運動再學習改善異常步態，其原理可能為大腦可塑性理論。大腦可塑性是通過進行大量的特定任務訓練讓患者進行充足的重復性活動[26]，從而使SCI后正在進行功能重組的大腦皮質通過深刻的體驗來學習和儲存正確的運動模式[27]?；蚴欠磸瓦\動訓練后，形成條件刺激，進而促使脊髓可塑與神經重構的發生[28]。

在大鼠SCI后輸入并建立正確的正常大鼠腳步模式，誘導強化正常的踩踏模式，相較于手動輔助訓練，其異常步態得到更有效的改善[29]。Neckel等[30]也發現了大鼠可以通過體重支持訓練，加速自發性恢復，改善SCI后異常步態，證實了大腦可能存在可塑性，脊髓可能具有運動學習能力。

4 下肢康復機器人在SCI患者坐姿平衡康復中的應用

下肢康復機器人改善患者坐姿平衡，通常為患者進行舉重運動主動參與觸發步驟，激活軀干肌群，進行地面步態訓練，強化軀干肌群激活。Chisholm等[31]進行隨機臨床實驗則進一步證實，Ekso下肢機器人相較于Lokomat康復機器人對受試者坐姿平衡改善更為明顯，其原因可能與Ekso訓練后，姿勢控制機制更積極招募軀干肌肉，增加姿勢穩定性，提升平衡控制能力，改善患者坐姿平衡有關。

5 下肢康復機器人在SCI患者步行能力康復中的應用

SCI后下肢功能障礙主要表現為下肢肌無力，步行距離短，速度慢和耐力低，進而出現異常步態。下肢康復機器人廣泛應用于SCI各期患者，對SCI患者進行高重復性和高功能性運動康復治療，可提高其下肢運動功能。

下肢康復機器人對各時期SCI步行能力均有改善，主要改善下肢步行距離，增加下肢肌力，提升步行速度。Tefertiller等隨機臨床實驗表明，在急性期下肢康復機器人輔助步態訓練（Robot assisted gait training，RAGT）可以很大程度的改善6 min步行距離和10 m步行時間，增加下肢肌肉力量，提高腿部活動性和獨立性[32]，有患者在經過12周RAGT治療后，出現跨等級變化的積極現象[33]。對于急性期不完全性SCI的患者，RAGT可以比傳統地面訓練更大程度地改善與運動相關的結局。而在慢性期，Meta分析則顯示，SCI患者通過RAGT治療在步行速度方面出現統計學意義的改善，但在平衡方面改變則不明顯[32]。

6 下肢康復機器人在SCI患者獨立行走能力康復中的應用

下肢康復機器人對SCI后無法自主行走的患者，可以輔助其完成個體的轉移與移動，改善其獨立行走能力。使用Indego下肢機器人改善了受試者室內外中點步行和最終步行速度，提高了平均步行耐力[34]。使用ReWalk康復機器人，受試者的持續步行距離可達到50～100 m，持續步行時間達到5～10 min，速度范圍達到0.03～0.45 m/s（平均0.25 m/s）[14]?？纱┐魇较轮祻蜋C器人對于SCI患者的時空與運動參數的積極改變，在SCI患者完成獨立行走后，進一步提出了跑步、跳高，甚至搬抬重物的可能性，為患者重新融入社會提供新希望。

7 下肢康復機器人在SCI患者多系統康復中的應用

下肢康復機器人治療可以改善SCI后多系統并發癥與機體生理功能。慢性完全性SCI患者運動功能受限，無法獨立完成體能康復，使用下肢康復機器人輔助行走后，患者的心肺和代謝需求可達到中等活動強度，有助于改善心肺功能與增加機體代謝反應[35]。對于截癱患者的膀胱和腸道功能的臨床康復效果，下肢康復機器人可提升尿動力學，降低殘余尿量和結腸傳輸時間，腸道功能改善率達到了31.6%[36]。其原因可能與機器人輔助行走充分發揮患者盆底肌群與膀胱括約肌的連帶收縮功能，降低神經元興奮閾值，抑制其不自主收縮，促進有效排尿、排便有關。

8 下肢康復機器人在SCI康復中應用的局限性

經過近20年的發展，下肢康復機器人的關節自由度由一個增加至多個，訓練模式由單一模式擴展至多模式，助行機制由助力運動延伸至動力運動，在SCI康復治療中的應用已經十分成熟。然而，不可否認的是，現階段下肢康復機器人仍有其臨床應用的局限性。

8.1 在研發方面

種類稀少，國外發展先進，國內雖已推出首款下肢康復機器人——大艾機器人，但大部分仍處在實驗室階段，面向市場還需時間。下肢康復機器人的步態標準存在爭議，不具有統一性與流通性。其現存的驅動方式與控制方法不能滿足高精準、低消耗、輕質量、便攜經濟等要求，驅動方式與控制方法的融合創新仍然在探究中[37]。

8.2 在評估方面

對SCI患者康復進展的評估，采取固定時間間隔，由治療小組成員，使用評估量表、腦、肌電圖、三維步態分析等綜合測評。此評估體系缺乏個體的特異性評估與及時優化，會出現治療局限和治療延長。

8.3 在訓練方面

下肢康復機器人價格高昂，可穿戴式機器人治療價格高達傳統療法費用的2～3倍[6]。機器人的使用需要治療師指導，對SCI患者意識水平及身體機能要求高。雖然，下肢康復機器人的患者配合度高于傳統康復手段[6]，但仍存在患者主動參與性較差，依靠機器人強制被動引導，影響自主肌力恢復情況。

8.4 在日常生活方面

許多SCI患者完成院內康復治療后，仍無法獨立完成坐、站、行。而大多數下肢康復機器人都處于提供醫療治療或實驗研究，較少應用于日常生活階段。不同于在醫院專業的治療環境中，在日常生活中，需要解決電源供給限制步行時間，不同路況影響患者運動[38]，步行慣性過大，改變自然運動模式[39]，設備負重過重[40]，使用舒適度不佳等問題。

9 下肢康復機器人在SCI康復中應用的未來展望

9.1 在研發方面

在未來，使用全新的人工智能技術將很大程度提高下肢康復機器人的自主性。對臨床環境中使用的控制策略進行評估匯總，歸納臨床各類下肢康復機器人的優劣，尋找最佳適用SCI患者人群，進一步研發新型控制與反饋系統[41]。實驗室從不同角度對下肢康復機器人的控制與反饋系統進行探討，例如截癱患者的腿部活動[42]、膝關節的順應性[43]、髖關節的屈伸[44]及3個自由度（3DOF）[45]等方面，定位SCI患者的發病原因，受限部位，并發癥與后遺癥，細化開發下肢康復機器人，實現點對點治療，提升康復治療效果。

9.2 在評估方面

在未來，下肢康復機器人將會參與到SCI康復評估體系中。采用多個固定標記靶點對患者體表標志的位移進行統計，使用傳感器以及電子計算機收集運動信息，融合康復機器人電子反饋，轉化為每日訓練的多模態信息數據。下肢康復機器人通過每日訓練采集的數據，能及時發現個體康復信息變化，提示治療小組針對患者當前情況，重新評估制訂康復治療計劃。

9.3 在訓練方面

在未來，下肢康復機器人不僅可進行SCI患者特異性康復評估，還可以完成個體化康復訓練。在標準化訓練的前提下，對SCI患者的發病誘因，危險因素，階段需求，生活環境等進行模塊化構建，設置多模態步行規劃，綜合多樣化治療方案，制定最佳訓練，完成精準化康復治療。

9.4 在日常生活方面

為了提高下肢康復機器人生活實用性，當下已經有諸多研究付諸實踐，例如研究新型可穿戴輕質機器人[40]，嘗試攻克材料剛度難題;研究軟體機器人，提供更高的舒適度以及更大的活動范圍[46];研究柔性外穿服，通過身體主動運動產生被動作用力，降低患者新陳代謝和步態運動影響等[39]，可增加機器人日常應用性，推進機器人國產化。在未來，下肢康復機器人將被引進醫院-家庭-社區-社會康復程序，加速醫養結合進程，為我國老齡化養療添磚加瓦。

10 小結

近年來，非創傷性脊髓功能障礙發病率也逐年上升，發病原因多樣化，引起學術界的重視，但其缺乏高質量的流行病學研究，使用下肢康復機器人進行治療則更少見，急需大量優化的臨床研究填補這一領域的空白[47]。

下肢康復機器人是正常步態模擬訓練，以任務為導向，聯合視、聽、觸互動，誘導強化正確的步行模式，實現高強度，高重復的康復訓練。其為患者帶來諸如增加關節活動度[48]、增長骨密度[49]等方面積極的治療效果，減輕了家庭和社會的負擔，并且逐漸朝向精準化，智能化和個體化發展，雖目前仍存在一定的局限，需要繼續改進與強化，但該領域的巨大潛力有目共睹，勢必引發醫療機械化的新趨勢。

[參考文獻]

[1] 李建軍，楊明亮，楊德剛，等.“創傷性脊柱脊髓損傷評估、治療與康復”專家共識[J].中國康復理論與實踐，2017，23（3）：274-287.

[2] 賈連順.甲基強的松龍對急性脊髓損傷治療與預防性用藥的研究[J].中國脊柱脊髓雜志，2005，（7）：392-393.

[3] 封亞平，朱輝，劉艷生，等.脊髓損傷治療現狀[J].中華神經外科疾病研究雜志，2008，（3）：279-280.

[4] Saleh MS，Eric DR. Gene therapy for plastic and reconstructive surgery[J]. Clinics in Plastic Surgery，1996，23（1）：157-171.

[5] Dollar AM， Herr H. Lower extremity exoskeletons and active orthoses：Challenges and state-of-the-art[J]. IEEE Transactions on Robotics，2008，24（1）：144-158.

[6] Carpino G，Pezzola A，Urbano M，et al.Assessing effectiveness and costs in robot-mediated lower limbs rehabilitation：A meta-analysis and state of the art[J].Journal of Healthcare Engineering，2018，18：7 492 024.

[7] Tingfang Y，Marco C，Calogero MO，et al. Review of assistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons[J]. Robotics and Autonomous Systems，2015， 64：120-136.

[8] 向小娜，宗慧燕，何紅晨.下肢外骨骼康復機器人對脊髓損傷患者步行能力改善的研究進展[J].中國康復醫學雜志，2020，35（1）：119-122.

[9] Schmidt H，Werner C，Bernhardt R，et al. Gait rehabilitation machines based on programmable footplates[J]. Journal of Neuro Engineering and Rehabilitation，2007， 4（1）：2.

[10] 趙明.外骨骼式下肢康復機器人訓練過程仿真及其有效性研究[D].天津：天津大學， 2016.

[11] Veneman JF，Kruidhof R，Hekman EEG，et al.Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2007，15（3）：379-386.

[12] Freivogel S，Mehrholz J，Husak-Sotomayor T，et al.Gait training with the newly developed 'LokoHelp'-system is feasible for non-ambulatory patients after stroke，spinal cord and brain injury.A feasibility study[J]. Brain injury，2008，22（7-8）：625-632.

[13] Kawamoto H，Sankai Y.Power assist method based on Phase Sequence and muscle force condition for HAL[J].Advanced Robotics，2005，19（7）：717-734.

[14] Esqenazi A，Talaty M，Packel A，et al. The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury[J].American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation，2012，91（11）：911-921.

[15] Sung J，Choi S，Kim H，et al. Feasibility of rehabilitation training with a newly developed，portable，gait assistive robot for balance function in hemiplegic patients[J].Annals of Rehabilitation Medicine，2017，41（2）：178-187.

[16] Steger R，Kazerooni H.The berkeley lower extremity exoskeleton[J].Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control，2006，128（1）：14-25.

[17] Sankai Y. HAL：Hybrid assistive limb based on gybernics [C]// Robotics research-the，international symposium[M]. Isrr 2007，November 26-29，2007 in Hiroshima，Japan.DBLP，2010：25-34.

[18] Colombo G，Wirz M，Dietz V.Driven gait orthosis for improvement of locomotor training in paraplegic patients[J].Spinal Cord，2001，39（5）：252-255.

[19] Banala SK，Agrawal SK，Kim SH，et al. Novel gait adaptation and neuromotor training results using an active leg exoskeleton[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2010，15（2）：216-225.

[20] Kawamoto H，Sankai Y. Power assist method based on phase sequence driven by interaction between human and robot suit[C].IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication.IEEE，2004：491-496.

[21] Lee K，Liu D，Perroud L，et al. A brain-controlled exoskeleton with cascaded event-related desynchronization classifiers[J]. Robotics & Autonomous Systems，2016，90（C）：15-23.

[22] Sasaki D，Noritsugu T，Takaiwa M. Development of pneumatic lower limb power assist wear driven with wearable air supply system[C]//.Ieee/rsj International? ? Conference on Intelligent Robots and Systems.IEEE，2013：4440-4445.

[23] Huo W，Mohammed S，Moreno JC，et al. Lower limb wearable robots for assistance and rehabilitation：A state of the Art[J]. IEEE Systems Journal，2017，10（3）：1068-1081.

[24] Joanne P. The pransky interview：Russ angold，Co-founder and president of EksoTM labs[J].Industrial Robot：An International Journal，2014，41（4）：329-334.

[25] He Y，Nathan K，Venkatakrishnan A，et al. An integrated neuro-robotic interface for stroke rehabilitation using the NASA X1 powered lower limb exoskeleton[C]//.Engineering in Medicine and Biology Society.IEEE，2014：3985-3988.

[26] Sterr A，Freivogel S.Motor-improvement following intensive training in low-functioning chronic hemiparesis[J]. Neurology，2003，61（6）：842.

[27] Liepert J，Bauder H，Miltner WHR，et al.Treatment-induced cortical reorganization after stroke in humans[J]. Stroke，2000，31（6）：1210-1216.

[28] O'Dell DR，Weber KA，Berliner JC，et al. Midsagittal tissue bridges are associated with walking ability in incomplete spinal cord injury： A magnetic resonance imaging case series[J].The Journal of Spinal Cord Medicine，2020， 43（2）：268-271.

[29] Zhao BL，Li WT，Zhou XH，et al. Effective robotic assistive pattern of treadmill training for spinal cord injury in a rat model[J]. Experimental and Therapeutic Medicine，2018，15（4）：3283-3294.

[45] Junpeng W，Jinwu G，Rong S，et al. The design and control of a 3DOF lower limb rehabilitation robot[J]. Mechatronics，2016，33：13-22.

[46] Gunjan A，Matthew AR，Harshal S，et al.Design and computational modeling of a modular，compliant robotic assembly for human lumbar unit and spinal cord assistance[J]. Scientific Reports，2017，7（1）：75-1834.

[47] New PW，Guilcher S JT，Jaglal SB，et al.Trends，challenges，and opportunities regarding research in non-traumatic spinal cord dysfunction[J]. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation，2017，23（4）：313-323.

[48] Sale P，Russo EF，Scarton A，et al. Training for mobility with exoskeleton robot in person with spinal cord injury：A pilot study[J]. European Journal of Physical and Rehabilitation Medicine，2018，54（5）：745-751.

[49] Wu CH，Mao HF，Hu JS，et al. The effects of gait training using powered lower limb exoskeleton robot on individuals with complete spinal cord injury[J].Journal of Neuroengineering and Rehabilitation，2018，15（1）：14.

（收稿日期：2020-08-17）