外骨骼下肢機器人訓練對截癱患者步行功能恢復的影響

鄧小倩，王楊，熊愿，韓俊奇 ，劉四文

脊髓損傷(Spinal Cord Injury, SCI)是嚴重的致殘性疾病，其中胸腰段脊髓損傷所致截癱常表現為損傷平面以下運動及感覺障礙[1]。此病患者因此導致的運動功能障礙特別是步行障礙不僅使患者無法正常進行站立、行走，同時也嚴重地影響其生存質量和平等參與社會活動的能力[2]。對于完全性截癱患者即使不能實現功能性步行，借助以復式截癱步行矯形器( reciprocating gait orthosis, RGO)為代表的步行矯形器進行站立、行走訓練也可以對患者在身體、精神、社會生活方面產生積極的影響[3-4]。雖然RGO有一定的助動功能，但在步行時，需要大量的上肢肌肉力量，行走時步態僵硬，能量消耗較大[5]。據報道，RGO成人棄用率為46%～54%，骨髓鞘膨出患兒棄用率為61%～90%[6]。

隨著科技的進步，外骨骼技術逐漸應用于脊髓損傷康復，其旨在提高截癱患者的步行能力，甚至為完全性截癱患者實現功能性步行帶來新希望[7]。近年來，國外已有ReWalk、Ekso、Indego等多款外骨骼下肢機器人用于截癱患者的臨床報道。但進口外骨骼下肢機器人屬于新型輔具且價格昂貴，在國外普及程度不高，國內更較少有臨床應用報道。本研究旨在對完全性截癱患者應用外骨骼下肢機器人(以下簡稱外骨骼)與臨床上常規使用的RGO行走時的步態特征進行對比、分析，以明確外骨骼的臨床性能及其應用前景。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取 2018年 6 月～2020 年 12 月在我院收治的30例截癱患者作為研究對象，其中男23例，女7例。平均年齡( 38.5±9.5) 歲；平均病程(8.8±2.4)個月。納入標準：影像學(CT/MRI)和臨床檢查確診為脊髓損傷，ASIA診斷為A型的截癱患者，神經損傷平面在T1～L1；受試前一月病情穩定，無明顯功能進展或退步；經臨床檢查及影像學檢查，脊柱骨折內固定穩定；病程5～12個月；下肢無明顯畸形和攣縮；可主動配合步行及站立訓練；排除標準：雙上肢肌力及關節活動度明顯受限；雙下肢肌張力顯著增高，改良Ashworth分級MAS>II級；嚴重心肺功能受限及其他嚴重內科疾病；嚴重并發癥：如嚴重壓瘡、泌尿感染、靜脈血栓需臥床治療；研究期間同時接受其他相關研究者；不服從研究協議，自行選擇入組者。

1.2 方法 受試者均在入組前進行規范的RGO及外骨骼的調試及系統使用訓練。研究測試當天，患者使用RGO行相關步行測試，經3～5h完全休息，確認恢復訓練體力后，再進行一次外骨骼的步行測試。所有的測試由經系統培訓的項目成員規范執行。具體訓練方案如下：①RGO步行訓練：受試者佩戴由同一位矯形師量身定制的RGO，進行RGO的穿、脫訓練、站立訓練、平行杠內站立、步行訓練、使用助行架室內步行訓練。②外骨骼步行訓練：受試者均使用北京航空航天大學研制的大艾外骨骼機器人，型號為AiWalker。由經過系統培訓的治療師根據受試者大、小腿長度、骨盆寬度調節外骨骼的長度及骨盆寬度至最佳狀態，根據患者適應情況選擇合適的步態模式。進行穿截外骨骼的穿、脫訓練、站立訓練、使用助行架進行步行訓練。

1.3 評定標準 受試者借助助行架使用RGO、外骨骼達到較為穩定的步態后，由項目評估組治療師對其分別使用兩種步行裝置在室內平地進行10 m行走時間、6 min步行距離測試其步行耐力；運用生理性消耗指數(Physiological burden index，PCI)測量步行時能力消耗。測試方法：受試者手腕佩戴PALOR(M400型)心率表，胸帶固定在受試者心尖部位。測試前受試患者穿戴好步行裝置先在座位安靜休息 5 min，用心率表持續測量 1 min 確定休息時心率。隨后讓受試者以自身喜好的步速在室內25 m的步道上連續步行 6 min，測量步行距離，計算步行速度。受試者步行結束后立即在座位安靜休息同時測定其心率，方法同前，以確定運動后心率，以下面的公式計算：

在步行測試結束后，即刻運用Borg主觀運動強度量表(Rating of perceived exertion,PRE)評分，記錄受試者在訓練中的主觀疲勞程度。

2 結果

2.1 步態參數比較 受試者使用外骨骼的6min步行距離測試用時、10m步行速度、步長表現均明顯優于其使用RGO相應的步行參數(均P<0.05)。

表1 30例受試者分別使用RGO和外骨骼的步行參數比較

2.2 能量消耗比較 與RGO相比，患者應用外骨骼步行前后心率變化差異無統計學意義，PCI、PRE指數明顯下降(均P<0.05)。見表2。

表2 30例受試者分別使用RGO和外骨骼的能量消耗比較

3 討論

本研究所選用兩種步行裝置的特點如下： ①RGO特點：是由一對髖關節、兩根鋼索和附在一金屬骨盆箍上的兩個大腿矯形器以及軀干支條構成。患者使用RGO步行時，當身體重心移到一側，該側髖關節作過伸運動時，通過鋼索牽拉使另一側髖關節產生屈髖運動，從而達到帶動下肢向前移動的目的，用同樣的方法可邁出另一條腿。RGO的骨盆箍為杠桿支撐點，腰背部約束帶為力點，不僅在步行中有助動功能，而且在患者站立與坐位姿勢互換過程中有支撐穩定的功能[8]。見圖1。 ②AiWalker特點：是由對兩個髖電機和兩個膝電機進行位置和力度的閉環控制以及四個電機的協調運動控制，以實現事先規劃好的步態運動[9]。為減少訓練中的風險，AiWalker配有移動支撐臺架，可提供穩定的腰部支撐和面積較大的四角支撐，提高初始訓練的安全性和穩定性。見圖2。

圖1 本研究訓練用的RGO

圖2 本研究訓練用的外骨骼裝置

因本研究設計目的為比較同一患者同一天內使用兩種不同步行裝置的步行參數特征，2組功能前提較為統一。入組該研究的前提條件之一是掌握使用助行架借助兩種步行輔具實現平地步行的功能要求。臨床實踐中，也由于不同損傷平面、年齡、性別的受試者使用RGO及外骨骼設備達到助行架步行能力的時間不同。因此本研究中未具體規定患者系統使用訓練時長。

本研究結果顯示：與使用RGO相比，同一截癱患者使用外骨骼可以達到更高的步行效率。患者使用外骨骼 6min步行距離平均為119.84m，約是RGO步行效率的3倍；10m步行用時是約RGO用時的約1/3，步長為RGO的2.3倍。此外，研究團隊還發現：30例性別、年齡、身高、體重、損傷平面、病程各異的受試者使用外骨骼的步態參數組間差異較小，而RGO組間差異較大。6min步行測試中，受試者使用外骨骼步行距離區間為108.5～135m。而使用RGO的步行距離區間為25.2～79.2m。此結果與Carsten等[10]報道一致，無論年齡、性別和損傷平面如何，患者都可以通過外骨骼進行步行訓練，并達到一定的步行能力。而使用RGO的步行能力與使用者受損傷平面、性別、年齡影響較大[11]。

本研究中，患者應用外骨骼時代表能量消耗客觀指標的PCI及主觀指標的PRE均明顯優于應用RGO，也提示外骨骼能為受試者帶來更為高效的步行功能。分析外骨骼的優勢可見，外骨骼通過自帶鋰電池提供動力輔助，受試者進行步行活動較RGO在步行中能量效率方面具有顯著優勢。RGO由于缺少外動力裝置，步行時需要大量的上肢、軀干肌肉力量，能量效率低。這使得患者在使用RGO步行時容易疲勞。在嚴重情況下，甚至會導致上肢肌肉的損傷[12]。某種程度上，外骨骼下肢機器人可看作是機械型截癱步行器如RGO的升級和發展。與RGO的訓練目的相同，現階段進行外骨骼訓練的理由一方面是減少截癱患者處于坐位的時間，減少對SCI后并發癥的影響，如疼痛、痙攣、腸和膀胱功能[13]，另一方面外骨骼也可以發揮其高效、節能的優勢，作為未來潛在的功能型移動裝置繼續探索其在臨床上的應用。Hartigan等[14]報道僅5次訓練后，四肢癱瘓和截癱患者均能快速掌握Indego外骨骼的使用技巧，并可以在不同路面行走實現社區性步行。

在實踐應用中，研究團隊也發現本實驗選用的外骨骼設備尚需改進之處：如穿戴耗時較長(平均5min)，而RGO平均穿戴時間約1min；且個性化程度不足：現有技術尚不能實現使用者自如控制步態，僅能完成程序化步態。目前用于臨床的可穿戴式外骨骼機器人普遍存在設備臃腫笨重、穿戴不便、人機結合欠佳等問題[15]。進一步的研發中，建議外骨骼在仿生能力、便攜性及智能控制方面繼續加強。大量臨床證據顯示，對于不完全性以及完全性脊髓損傷患者而言，下肢外骨骼康復機器人能有效且安全的提高步行能力，繼而減少壓瘡、肺部感染、尿路感染等各種并發癥，提高患者尊嚴，減少花費[16-17]。隨著下肢外骨骼康復機器人性能的逐漸改進，將會得到更加廣闊的臨床應用。

綜上所述，與RGO相比，截癱患者應用外骨骼下肢機器人步行時步行耐力增強、步行速度提高、能量消耗較低，可作為完全性截癱患者的治療性步行輔具進一步推廣應用。