老年骨質(zhì)疏松癥下肢可穿戴外骨骼研究進展

翁嘉敏 張海甄 梁欣兒 高梓博 劉凡露 唐樹杰

隨著世界人口老齡化日益嚴重，骨質(zhì)疏松癥已成為嚴重影響老年人健康的慢性疾患。根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查，2010年，我國骨質(zhì)疏松性骨折達233萬，醫(yī)療支出649億元；2050年，預(yù)計我國骨質(zhì)疏松性骨折人數(shù)將達599萬，醫(yī)療支出將達1 745億元[1]。骨質(zhì)疏松癥已成為世界面臨的重要公共衛(wèi)生問題[2]，對當今康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提出極大挑戰(zhàn)。

下肢可穿戴外骨骼是一種新型的人體運動輔助機器人技術(shù)，可用于預(yù)防與治療老年疾患所致行動不良等并發(fā)癥。針對老年骨質(zhì)疏松癥，外骨骼技術(shù)從仿生角度出發(fā)，協(xié)助患者步行，督促患者日常運動和功能訓(xùn)練，最大程度實現(xiàn)防跌功能[3-5]。下肢可穿戴外骨骼主要包括剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)兩類。

本文對國內(nèi)外骨質(zhì)疏松下肢外骨骼系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行綜述。

1 剛性下肢可穿戴外骨骼

剛性結(jié)構(gòu)外骨骼大多采用液壓或電機驅(qū)動，電機驅(qū)動控制系統(tǒng)精確度較高，但液壓驅(qū)動則響應(yīng)速度快，是目前多數(shù)外骨骼機器人所選擇的驅(qū)動方式。剛性結(jié)構(gòu)下肢可穿戴外骨骼通過綁帶等固定裝置與使用者連接。

2015年，以色列ReWalk Robotics公司研發(fā)的ReWalk 6.0外骨骼[6]，重23.3 kg，可通過遙控器判斷使用者行動意圖，利用重心變化控制活動，并利用電腦系統(tǒng)及動態(tài)感應(yīng)器對外骨骼做出調(diào)整。日本Cyberdyne公司研發(fā)的HAL外骨骼[7]2013年獲得全球安全認證，2018年獲得美國FDA批準用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域。ReWalk與HAL的重量與續(xù)航能力幾乎一致，但功能體現(xiàn)不同。HAL通過采集肌肉電信號以判斷使用者意圖，或通過系統(tǒng)記憶助力完成運動需求，因此能夠更好地修飾步態(tài)，重建肌肉運動活性，兼?zhèn)渲鲃优c被動模式，減少對設(shè)備的依賴性；Rewalk則需要拐杖輔助，其智能雙拐固定于肘部，設(shè)置手持柄和固定帶，可以拿取東西，或者輔助上下樓梯。因為是設(shè)備帶動人體行動，所以拐杖可以保持上半身平衡，令使用者容易適應(yīng)設(shè)備變化，對于體型高大的使用者穩(wěn)定性更強。此外，美國Ekso Bionics公司研發(fā)的Ekso GT[8]和2019年迭代的Ekso NR外骨骼[9]，為患者設(shè)置自然與個體化步態(tài)，提供更多的分析工具以實時監(jiān)控性能和調(diào)整治療方案。然而，Ekso Bionics、ReWalk Robotics與Cyberdyne三家公司主要面向脊髓損傷、腦癱等重癥患者，側(cè)重康復(fù)治療而非助行，不太適合骨質(zhì)疏松個體使用。

2016年，由美國Parker Hannifin公司研發(fā)的Indego外骨骼[10]獲美國FDA批準上市，重12 kg，續(xù)航1 h，結(jié)合了功能性電刺激療法，能對肌肉施加輕微電脈沖，使其收縮和放松從而幫助肌肉康復(fù)。該設(shè)備自帶藍牙功能，便于患者或臨床醫(yī)生調(diào)節(jié)設(shè)備，提供步長、步速、步態(tài)對稱性等量化信息的階段性報告。同年，美國SuitX公司推出Phoenix[11]，在續(xù)航方面較Indego更具優(yōu)勢，可維持4～8 h，重12.5 kg。其模塊化設(shè)計方便快速穿脫和組裝，可獨立或組合使用，老年骨質(zhì)疏松癥患者可根據(jù)個體癥狀的不同，選擇不同的模塊組合。這兩類外骨骼均輕便，易于調(diào)節(jié)，適合家中或社區(qū)骨質(zhì)疏松患者使用；其中Indego使用者可單手固定綁帶和控制系統(tǒng)，可自行穿上、取下并調(diào)整系統(tǒng)。

2018年，北京大艾機器人科技有限公司推出AiLegs外骨骼系統(tǒng)[12]，重約20 kg，續(xù)航8 h，主要針對中后期康復(fù)階段患者的訓(xùn)練。由于尺寸范圍大且容易調(diào)節(jié)，能提供不同病種不同病程的步態(tài)訓(xùn)練，適合脊髓損傷、中風(fēng)、癱瘓、骨關(guān)節(jié)術(shù)后、肌無力等不同使用者的個性化運動需求，并適于個人居家使用。2019年，上海傅利葉智能科技有限公司發(fā)布的Fourier X2，為ExoMotusTM[13]下肢康復(fù)機器人系列產(chǎn)品，重18 kg，是Fourier X1的升級迭代版，多傳感融合技術(shù)能夠更智能地分析運動意圖，再根據(jù)外部力學(xué)環(huán)境動態(tài)調(diào)整動力輸出，實現(xiàn)不同的運動模式。基于其核心的力反饋控制算法，將外骨骼設(shè)備與使用者進行交互，步態(tài)軌跡也可以依據(jù)患者的用力大小、外部動態(tài)環(huán)境的變化實時調(diào)整，可以應(yīng)用于輔助行走、康復(fù)訓(xùn)練、運動功能強化等多個領(lǐng)域。同國外相比，國內(nèi)剛性外骨骼種類少，但研發(fā)考慮的受眾群較廣，適用病種多，適應(yīng)性強，大多可行個性化調(diào)節(jié)。

整體來講，剛性外骨骼優(yōu)勢在于其穩(wěn)定性和支撐力，可滿足重癥患者的運動需求，并可供中風(fēng)后遺癥、癱瘓病人使用。然而，這類產(chǎn)品多數(shù)重量較大，一般用于軍事、工業(yè)或康復(fù)領(lǐng)域的重癥患者。然而，剛性外骨骼使用過程中不易人機對準，可產(chǎn)生額外扭矩而對人體造成傷害，因此不適于非醫(yī)療機構(gòu)使用；剛性外骨骼驅(qū)動裝置重量偏大，可增加代謝消耗[14]。

2 柔性下肢可穿戴外骨骼

近年，世界各國對柔性外骨骼的研發(fā)日漸重視。“柔性”包括柔性結(jié)構(gòu)材料、柔性驅(qū)動方式或柔性運動模式，二者或三者兼容。目前，柔性下肢可穿戴外骨骼的主要驅(qū)動方式包括繩-滑輪驅(qū)動(電機與線驅(qū)結(jié)合)和氣動驅(qū)動(氣動肌肉與氣泵結(jié)合)。這類驅(qū)動使外骨骼在行動時肢體遠端慣性極低，使用者能夠靈活地控制方向與節(jié)奏，降低代謝成本[15]。

2013至2015年，美國哈佛大學(xué)研發(fā)柔性助力服Soft Exosuit[16]，是柔性下肢可穿戴外骨骼研究的里程碑。第一代以氣動驅(qū)動為主，重10.6 kg，采用McKibben型氣動肌肉材料，通過氣動肌肉輔助產(chǎn)生關(guān)節(jié)扭矩，產(chǎn)生與肌肉及肌腱同方向的平行助力；第二代重12.15 kg，選用柔性紡織材料，采用電機與套索結(jié)合的傳動方式，沒有主動驅(qū)動時也能通過彈性紡織帶對行走產(chǎn)生輔助力矩。第三代[17]重10.1 kg，采用柔性紡織帶將外骨骼與使用者連接，使用繩-滑輪驅(qū)動，利用下肢關(guān)節(jié)協(xié)同增強效應(yīng)，提高了設(shè)備的舒適度和助力的力量傳遞。三代優(yōu)化的側(cè)重點不同，第三代產(chǎn)品能夠幫助使用者抬起腳行動時，拉緊線纜輔助抬腿動作，有效改善使用者“足下垂”。此外，該實驗室與ReWalk Robotics公司合作，在2017年推出柔性下肢外骨骼“Restore Exo-suit”[18]，可用于偏癱人群，助力時間延長，與之前的系統(tǒng)相比，可以更高效地完成行動時的輔助運動。

柔性外骨骼研發(fā)多源自于軍工科技，其設(shè)計較民用醫(yī)療更加先進。2015年澳大利亞國防部研制的柔性可穿戴外骨骼OX[19]以及2016年Warrior Web和SRI.International共同研制的Superflex[20]外骨骼系統(tǒng)，都源自軍工科技。OX僅重3 kg，利用鮑登線的抗彎特性，將人體66%的負重卸載至地面。Superflex重4.8 kg，配備有慣性傳感器，可承載113 kg。兩者相比Soft Exosuit更加輕便靈活，耗能更低，便于拆卸與攜帶，載荷能力強大。但在輔助功能方面，Soft Exosuit對于步態(tài)的修飾更全面且適合病情稍重患者。

由于輕量化設(shè)計及柔性選材，柔性外骨骼普遍支撐力不佳，而瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院2015年研發(fā)的全柔性的下肢外骨骼機器人MAXX，設(shè)計被動儲能元件，協(xié)同主動助力，在不同運動狀態(tài)下實現(xiàn)對穿戴者自身重量的支撐[21]。MyoSwiss公司在2017年發(fā)布的“MyoSuit”下肢柔性外骨骼機器人[22-23]，輕量化且兼具拉力傳感器與慣性傳感器，包括電源在內(nèi)重4.56 kg，能夠利用關(guān)節(jié)協(xié)同增強效應(yīng)，提高行動時連續(xù)性的助力功能。此外，在輕量化及支撐力的基礎(chǔ)上，柔性外骨骼模塊化設(shè)計也是較出色的設(shè)計優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)選擇性助力。例如2018年歐盟柔性仿生外骨骼“Xo-Soft”[24]研究計劃研制的樣機，重約2.68 kg，可選擇性穿戴三個主關(guān)節(jié)部件，分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)繩驅(qū)動助力，兼具重量輕及便于攜帶的特點。

亞洲國家在柔性外骨骼研發(fā)方面也做了大量工作。2017年韓國三星研發(fā)的S-Assist L-type[25]外骨骼，設(shè)備重量在8 kg以下，續(xù)航時長2～3 h，使用新型無扣支撐框架，兼顧剛性與柔性的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，提供支撐的同時將輔助扭矩傳遞到髖、膝關(guān)節(jié)，與前述柔性外骨骼相比，S-Assist L-type在支撐體質(zhì)量方面優(yōu)勢突出，并且結(jié)構(gòu)靈活，具有隱蔽性。我國在柔性外骨骼研究方面起步較晚，部分產(chǎn)品也已進入商用階段，如上海司羿智能科技有限公司的單側(cè)助力下肢外骨骼系統(tǒng)“EasyWalk X1”[26]，以及深圳市肯綮科技有限公司的雙側(cè)助力下肢外骨骼系統(tǒng)“騎士Knight”[27]，這些柔性下肢外骨骼重量大多控制在10 kg以內(nèi)，具備輕量便攜的優(yōu)勢。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的基于繩-滑輪驅(qū)動的下肢外骨骼系統(tǒng)[28]、東南大學(xué)的雙向鮑登線驅(qū)動外骨骼機器人系統(tǒng)[29]、單側(cè)助力外骨骼系統(tǒng)[30]與氣動人工肌肉驅(qū)動可穿戴下肢外骨骼系統(tǒng)[31]，以及華中科技大學(xué)的氣動下肢外骨骼系統(tǒng)[32]，均處于實驗室研究階段。

與剛性外骨骼相比，柔性下肢外骨骼具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、隱蔽性強的優(yōu)點，可以更好地輔助髖、膝等關(guān)節(jié)伸展和屈曲，適合年老體弱者在社區(qū)或非醫(yī)療機構(gòu)使用。但是，這類外骨骼的支撐力與控制力不及剛性外骨骼，不適用于負重作業(yè)或失去大部分行走能力的患者，在運動過程中會耗費較多體能[33]。

3 總結(jié)與展望

外骨骼技術(shù)已經(jīng)得到一定發(fā)展，并逐漸用于骨質(zhì)疏松的預(yù)防與治療領(lǐng)域。但是，目前可供老年骨質(zhì)疏松患者選擇的外骨骼款式較少，而且價格昂貴、體積巨大，不適合社區(qū)與家庭使用[34]。今后，在老年骨質(zhì)疏松外骨骼的研究方面應(yīng)當綜合剛性與柔性外骨骼的優(yōu)勢，選材兼顧舒適度和體質(zhì)量承載能力，驅(qū)動裝置與傳感器力求微型化，盡可能減輕產(chǎn)品重量，提高隱蔽性、便攜性與可操作性，同時降低產(chǎn)品價格，以滿足普通老年骨質(zhì)疏松患者的需求。