下肢外骨骼機器人在脊髓損傷中的應用研究進展

王鋒 李靖龍

1昆明理工大學醫學院（昆明 650000）；2云南省第一人民醫院/昆明理工大學附屬醫院（昆明 650000）

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種致殘性疾病，以感覺、運動和自主神經功能障礙為主要表現，使患者的家庭和社會背負了沉重的經濟負擔[1]。目前全球SCI呈現高發趨勢，疾病負擔日益加重，我國亦為SCI高發生率國家，我國SCI患者超過300多萬例，每年新增患者病例更是高達9萬例[2]。許多SCI患者伴有行走功能障礙，終身被限制在輪椅上，從而產生一系列并發癥，如體位性低血壓、痙攣、骨質疏松、肌肉萎縮、疼痛、心理障礙、認知障礙和病理性骨折等，導致生存質量下降[3-12]。據統計，全球每年約有2 700萬患者患有SCI后遺癥，每個SCI患者平均每年花費約7萬美元[13]。

對于SCI患者，恢復運動能力是重中之重。據相關研究報道，傳統的康復訓練存在消耗人力資源、訓練時不具備可重復性和持續性、患者缺乏主動性等缺點，因此療效有限。外骨骼機器人則另辟蹊徑，通過輔以外部助力系統，從機械輔助的角度幫助SCI患者恢復活動能力。本文旨在就下肢外骨骼機器人在SCI中的應用研究進展進行綜述，以期為SCI患者術后的康復基礎研究及臨床治療方案提供一定的參考和借鑒。

1 下肢外骨骼機器人簡介

下肢外骨骼機器人是一種模仿自然界中外骨骼生物，并結合康復醫學、運動生物力學、人體工程學、控制理論、信息處理技術等原理設計的仿生機器人，可佩戴在人體下肢上，在用戶控制下完成特定任務[14]。該設備可輔助各種SCI合并下肢運動功能障礙患者重新站立及行走（圖1），相比傳統康復治療，它以更符合生理學的方式，提供一種高強度和可重復的個體化下肢步態訓練，使患者在醫院或家中就能進行科學而有效的康復功能訓練，更好地提高了患者行走的耐力和獨立性，為下肢功能障礙患者提供了重返社會的可能性[15]。下肢外骨骼機器人主要由感知系統、控制系統、驅動系統、人機交互系統以及能源系統五大關鍵系統組成，可通過安裝在患者肢體上的傳感器獲得各項數據（包括各種能量、角度以及扭矩等）或生物電信號，并將這些信息傳輸至中央控制處理器，經過控制器內部接受、計算、分析、編碼，轉換為控制外部設備的指令，再傳遞到驅動系統，最終由驅動系統帶動外骨骼的行動，實現人與外界的交流以及對外部環境的控制（圖2）[16]。

圖1 外骨骼運用于各種癱瘓患者Fig.1 Exoskeletons are used in a variety of paralysed patients

圖2 下肢外骨骼機器人工作原理Fig.2 The working principle of lower limb exoskeleton robot

2 下肢外骨骼機器人在脊髓損傷中的研究

近年來，隨著癱瘓患者數量逐年增多，康復人才緊缺，康復醫療資源的供需矛盾激化，外骨骼機器人開始走進人們的視線。這一輔具不僅將專業康復治療師從繁重的工作中解放出來，還提高了SCI患者接受康復治療的效率。目前，下肢外骨骼機器人在SCI中主要有兩種應用，按其功能用途分類可以分為功能輔助型和功能康復型[17]。功能康復型下肢外骨骼機器人，主要面向下肢運動功能障礙的患者，通過機器人輔助步態訓練，以達到逐漸恢復下肢運動的能力，實現自主行走，如Lokomat、LOPES、ALEX等。功能輔助型下肢外骨骼機器人，這類機器人主要面向喪失下肢運動能力的殘疾人，以幫助他們能夠像正常人那樣站立以及行走，如HAL、ReWalk、Indego、EKSO 等。兩者的最大區別是前者只能幫助使用者在原地行走并進行康復訓練，而后者是可以輔助佩戴者進行遠距離行走。下肢外骨骼機器人可增加SCI患者康復訓練的時間，減輕康復治療師工作強度，幫助使用者完成上下樓梯、跨越障礙等輪椅不能完成的任務。

近年來，外骨骼機器人已經取得了很大的進步。VOUGA 等[18]設計的TWIICE One外骨骼機器人以極簡主義為理念，在提升設備堅固性以及降低設備重量的基礎上，結合了智能輔助系統，即通過與智能手機或智能手表結合，實時監測患者的訓練狀態并發出相應的指令，調整設備的運行模式。2021年，SHEPERTYCKY 等[19]開發輕質背包外骨骼機器人，用于輔助行走，該設備可為受試者提供一定的助力，從而降低行走時的能量消耗。JUNG等[20]通過復刻人體下肢解刨學結構，把剛性材料（桿）比作骨骼，軟性組件（電纜）比作軟組織，并將二者結合，最終設計出了一款柔性-剛性下肢外骨骼機器人，其動力學行為等同于肌肉骨骼系統。該設備具有與人體相似的靈活性和運動范圍，大大提高了人機適應性。CHEN等[21]研發出可穿戴的下肢外骨骼機器人Ai?robot，該設備可以提供足夠的力量來輔助行走，而無需下肢的主動運動。Ai?ro?bot分兩種類型，即Aiwalker and Ailegs。Aiwalker的特點是體積小，易于移動，步行練習可以在懸掛時或在真實地面上進行，同時速度和步幅也可以根據需要進行調整，適用于SCI慢性期的康復。Ailegs則沒有支撐平臺，適用于步態訓練后期上肢和軀干功能良好的患者，但它需要配備拐杖，以便在使用時保持平衡。LU等[22]為了實現偏癱患者正常行走，根據仿生學原理提出了單腿外骨骼機器人，并提出了一種針對此類行走特性的自適應調整策略，使外骨骼的步態根據健康腿的步幅和步幅頻率實時調整，從而達到更加自然的行走步態。GAO等[23]基于一種創新的仿真下肢外骨骼康復機器人設計理念，在深入了解傳統康復訓練的弊端和康復機器人性能的基礎上，根據康復醫學和仿真設計的原則設計了具有多自由度的髖關節、膝蓋和踝關節外骨骼結構。結果表明，下肢外骨骼康復機器人系統具有良好的佩戴舒適性和運動靈活性，其運動自由度更是與人體運動的自由度高度匹配。TIAN等[24]設計了單電機驅動多關節下肢外骨骼機器人，以減少下肢外骨骼的驅動電機數量、整體重量以及結構復雜程度，實驗結果驗證了單電機驅動多關節的方案可行性和有效性。劉建輝等[25]為了更好的實現人機耦合，還設計擁有10個自由度的下肢外骨骼機器人。通過ADAMS仿真分析和樣機試驗，證實了該產品具有穩定的協同運動性，且運動過程中舒適性較高。在此基礎上為滿足不同身高體重的SCI患者，該設備更是在大腿、小腿以及綁帶中心設計了一種可伸縮裝置，增加了設備的易用性。SHI等[26]設計了具有收集人體運動時的動能并轉化為電能的輕便外骨骼機器人，收集的能量被存儲在超級電容器中，以便在需要時為無線傳感設備供電，一定程度上延長了外骨骼運行時間。

3 下肢外骨骼機器人在SCI中的臨床應用

大量的臨床證據，對于SCI患者，SCI患者的機器人輔助步態訓練可促進身體代償功能和神經的可塑性，不僅有效安全，還可以減少褥瘡、肺部感染、骨質疏松、心肺及尿路感染等多系統并發癥的發生率，提高患者的生存質量，降低康復護理成本[27-28]。

3.1 維持姿勢以及身體平衡下肢外骨骼機器人可為SCI患者提供一定的助力，輔助患者被動或主動康復訓練，激活軀干肌群，使患者在姿勢控制和運動策略學習中產生積極作用。姿勢控制機制又可進一步激活軀干肌群，增強軀干肌肉的力量，提高患者對身體平衡的控制能力，糾正不良坐姿[29]。

3.2 改善異常步態和輔助行走下肢外骨骼機器人可以給患側提供一定的助力，降低患側下肢肌肉張力，糾正其足內翻等畸形，從而顯著增加步長、耐力以及步速，減少支撐相時間，最終達到改善SCI患者異常步態的目的。而且長時間的地面行走訓練，可以增加下肢步行距離，提升步行速度，改善下肢肌力，幫助患者恢復甚至重建正常的行走步態。KIM等[30]通過對10例SCI患者進行了外骨骼機器人輔助步態訓練，分別測量初期、中期、晚期的6 min步行試驗和定時起動試驗以評估行走功能，結果顯示，患者的行走功能得到了顯著的改善。

3.3 生存質量的改善SCI患者可能會經歷身體表征的變化，導致對身體形象的不滿、自尊心的喪失、患者總體心理健康、生存質量和情緒的降低。下肢外骨骼機器人輔助SCI患者完成部分日?；顒?，提高患者的生活自理能力，有助于改善SCI患者的身體表征，從而減少心理困擾及降低心理疾病的發生率，改善生存質量[31]。

3.4 心肺功能的改善長時間的機器人外骨骼輔助行走可產生中等強度的運動水平，提供足夠的刺激來增強SCI人群的心血管功能，提高耗氧量和心率，促進血液循環，降低患心血管疾病的風險并改善身體健康狀況。FAHIKNER等[32]對6例SCI患者進行了為期5 d的外骨骼機器人輔助步態訓練，研究結果顯示，受試者的動脈反射波增強指數及平均動脈壓顯著降低。ALAJAM等[33]對在此基礎上，將訓練時間延長至8周后發現，SCI患者的高密度脂蛋白顯著升高，高密度脂蛋白與低密度脂蛋白的比值以及C反應蛋白顯著降低。此外，與常規訓練相比，外骨骼輔助步行訓練對脊髓損傷患者的FVC、FVC%和FEV1等肺功能參數均有顯著的改善[34]。

3.5 降低壓瘡的發生率，改善代謝功能下肢外骨骼機器人輔助SCI患者重新站立行走，可有效降低壓瘡的發生率，同時促進胃腸蠕動，改善排便[35]。此外，適當的康復功能訓練，可延緩失用性肌萎縮的進展，增加肌肉對骨骼的機械應力，使骨轉化趨于正平衡，防止骨質進一步流失，改善骨骼質量，提升骨密度，降低病理性骨質的發生率[36]。

4 下肢外骨骼機器人在脊髓損傷中的臨床應用存在問題

4.1 穿戴的便攜性和舒適性傳統的下肢外骨骼機器人通常采用大量的剛性連桿或金屬剛性結構，設備臃腫笨重，穿戴不便，環境的適應性和運動的靈活性較差，且通常需要監督（康復醫師）和使用助行器，很難運用至日常生活中。柔性外骨骼的出現為這一現狀提供了解決方案。其好處有：（1）重量輕，能將系統重量集中到腰部；（2）結構柔軟，適合不同類型的患者；（3）步行輔助更自然；（4）它可以隱藏在衣服內部，不易引起注意，減輕了穿著者的心理負擔。

4.2 缺乏全面的康復評估系統由于不同類型的SCI患者在不同康復階段的運動能力是不一樣的，即康復需求不同。而目前并沒有一個完整的下肢外骨骼機器人輔助康復評估系統，這就導致有些患者得到的助力模式并不是其正真需要的，使人機融合較為困難，影響佩戴者的運動功能及體驗感，嚴重時甚至在步態訓練過程中出現皮膚擦傷、“拖拽”穿戴者等情況，導致佩戴者對外骨骼機器人產生排斥心理。為此，我們需要建議一個全面的康復評估系統，用于指導下肢外骨骼機器人為SCI患者提供合適的助力模式，使其在運動方式、訓練模式、作業姿態及人機交互方式等方面更具有適應性和靈活性。

4.3 成本許多下肢外骨骼機器人的共同問題是研發成本太高，這對于普通人來說是一筆高額的開銷，導致大多數SCI患者僅限于在特定的康復治療中使用此類設備，而不是在日常生活中使用[37]。研究發現，在機械方面，高成本通常與高轉矩驅動有關；在電子方面，高成本主要與昂貴的實時操作系統有關；在傳感方面，高成本通常與昂貴的力傳感器有關[38]。因此，為實現下肢外骨骼機器人價格的大眾化，應在保證康復效果的前提下，結合驅動器、電池和傳感器的新技術，盡可能的用價格較為低廉的元件去替換那些高值耗材或減少高值耗材的數量，從而幫助更多的患者接受、選擇和使用此類設備。

4.4 不良事件外骨骼輔助訓練引起的不良事件，主要包括皮膚擦傷、踝關節腫脹、肌肉酸痛、頭暈、扭傷、疲勞等。其中，最常見的不良事件是皮膚擦傷，足跟處是訓練中常報道的擦傷部位；而不太常見的是極度疲勞、跌倒、骨折或肌肉拉傷等。不良事件發生的原因可能是缺乏外骨骼使用經驗導致。因此，在未來應加強對下肢外骨骼機器人相關知識的普及，針對每一例SCI患者進行專業技能培訓，使更多患者獲得康復幫助。

4.5 能源的續航目前，有部分下肢外骨骼機器人屬于動力輔助裝置，需要電池為期續航，但電池的續航能力越大，體積越大，設備也就越重，且SCI患者無法獨立完成電池的更換工作。針對此類問題，基于高效、便捷和輕小型的燃料電池、太陽能充電系統以及生物能源等新能源技術目前已在一些外骨骼機器人樣機上進行了少量探索性研究，未來有望成為外骨骼機器人的主要能源供應方式。

5 總結

綜上所述，外骨骼機器人技術的出現可以從三個方面使SCI人群受益：（1）高強度的重復步態訓練可以幫助他們提高和恢復行走能力；（2）可以減少對康復師體力勞動的需求，提高康復效率，縮短康復療程；（3）可以減少SCI繼發性并發癥，提高生存質量，緩解家庭及社會經濟復旦。外骨骼機器人作為SCI康復手段之一，如今正逐漸朝向多元化、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，易用性應是其最大的特點。