下肢康復(fù)機器人在脊髓損傷康復(fù)中的應(yīng)用

姚嘉欣 李哲

[摘要] 下肢康復(fù)機器人是近年來康復(fù)醫(yī)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(fā)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(tǒng)康復(fù)存在積極意義。經(jīng)過近20年的高速發(fā)展，下肢康復(fù)機器人在治療脊髓損傷方面，其研發(fā)、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(fā)展也同樣是重點康復(fù)研究內(nèi)容，本文對下肢康復(fù)機器人在脊髓損傷康復(fù)中的應(yīng)用進行綜述。

[關(guān)鍵詞] 下肢康復(fù)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?qū)е伦倒軆?nèi)神經(jīng)結(jié)構(gòu)及其功能的損害，出現(xiàn)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(fā)多種臨床綜合征和系統(tǒng)并發(fā)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(fā)病率在全球范圍內(nèi)以較高速度攀升，關(guān)于SCI的治療已成為科研與醫(yī)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(jīng)系統(tǒng)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(zhuǎn)移至特定細胞合成蛋白質(zhì)的基因治療[4]，對SCI患者進行干預(yù)。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(fù)效果不佳。

下肢康復(fù)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(fù)，增強血液循環(huán)，降低肌肉張力，提升生活能力。

1 下肢康復(fù)機器人的發(fā)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(yī)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(xiàn)自動化和機器人輔助的運動康復(fù)，將下肢康復(fù)機器人引入并應(yīng)用于康復(fù)治療領(lǐng)域[6-7]。在近20年中，下肢康復(fù)機器人得到高速發(fā)展[8]。

下肢康復(fù)機器人通常使用懸吊減重技術(shù)進行步態(tài)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(xiàn)體重支撐與直立姿勢維持，完成部分站立康復(fù)的目的。進而在站立的基礎(chǔ)上，使用作用介質(zhì)與患者足部相互作用，完成下肢交替運動的步態(tài)訓練。較為典型的懸吊減重步態(tài)訓練機器人有Lokomat、Mechanical Gait Trainer（MGT）、Haptic Walker、Auto Ambulator等。

下肢康復(fù)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(diào)節(jié)失控的自主步態(tài)。但其訓練時強調(diào)重復(fù)連續(xù)被動運動，常為患者被動接收機器人帶動，執(zhí)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(chǔ)上創(chuàng)新出Haptic Walker下肢康復(fù)機器人[9]。該機器人可通過調(diào)節(jié)末端腳踏板運動，模擬正常行走軌跡，完成多種復(fù)雜移動，其系統(tǒng)動態(tài)性結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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(fù)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(qū)動兩種模式的LOPES康復(fù)機器人，這三種機器人也同樣是減重懸吊下肢康復(fù)機器人中的一員[10-11]。此時的下肢康復(fù)機器人體積龐大，往往需要單獨放置，且安裝程序復(fù)雜繁瑣。在2008年，德國公司開發(fā)出Lokophelp步態(tài)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(shè)計方案，體積較小，易于安裝、組合、調(diào)試和拆卸，實現(xiàn)了不同坡度的調(diào)節(jié)，協(xié)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(wěn)定的情況下早期介入疾病，實現(xiàn)加速站立與行走康復(fù)訓練，但使用減重裝置的步態(tài)訓練機器人可能會導致患者平衡感覺喪失，導致異常步態(tài)，不利于后期康復(fù)。此時，下肢康復(fù)機器人的研發(fā)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(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)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(fù)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(tài)機器人，機械矯形器更加近似于人類腿部結(jié)構(gòu)，在彌補平衡訓練的同時，完成步態(tài)康復(fù)與日常活動，更具實用價值。下肢康復(fù)機器人20年間的持續(xù)發(fā)展，正是機器人領(lǐng)域朝向準確，高效，經(jīng)濟，便利的目標大步跨越的過程，其巨大潛力將繼續(xù)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(fù)機器人的分類

對于下肢康復(fù)機器人的科學研究，需經(jīng)歷機械結(jié)構(gòu)和步行模型的構(gòu)建，動力學及運動學的分析，能量計算，步態(tài)規(guī)劃以及反饋再調(diào)等步驟。因其為機械學、電子學、生物醫(yī)學、臨床醫(yī)學等多學科結(jié)合產(chǎn)物，所以根據(jù)不同劃分標準，下肢康復(fù)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(fù)治療患者：下肢運動功能障礙患者步態(tài)康復(fù)訓練，如ReWalk[14];③殘障人士及部分老年人：輔助坐、站、行，完成日?；顒?，如HAL[17]。

根據(jù)控制參數(shù)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(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動方式，可以分為四類：氣壓驅(qū)動，如Power assist wear by D. Sasaki[22];液壓驅(qū)動，如BLEEX[23];電機驅(qū)動，如Ekso[24];串聯(lián)彈性驅(qū)動器驅(qū)動，如NASA X1[25]。

3 下肢康復(fù)機器人治療SCI的原理

SCI后通過運動再學習改善異常步態(tài)，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(wù)訓練讓患者進行充足的重復(fù)性活動[26]，從而使SCI后正在進行功能重組的大腦皮質(zhì)通過深刻的體驗來學習和儲存正確的運動模式[27]。或是反復(fù)運動訓練后，形成條件刺激，進而促使脊髓可塑與神經(jīng)重構(gòu)的發(fā)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(tài)得到更有效的改善[29]。Neckel等[30]也發(fā)現(xiàn)了大鼠可以通過體重支持訓練，加速自發(fā)性恢復(fù)，改善SCI后異常步態(tài)，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(fù)機器人在SCI患者坐姿平衡康復(fù)中的應(yīng)用

下肢康復(fù)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(fā)步驟，激活軀干肌群，進行地面步態(tài)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(fù)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(wěn)定性，提升平衡控制能力，改善患者坐姿平衡有關(guān)。

5 下肢康復(fù)機器人在SCI患者步行能力康復(fù)中的應(yīng)用

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

下肢康復(fù)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(fù)機器人輔助步態(tài)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(jīng)過12周RAGT治療后，出現(xiàn)跨等級變化的積極現(xiàn)象[33]。對于急性期不完全性SCI的患者，RAGT可以比傳統(tǒng)地面訓練更大程度地改善與運動相關(guān)的結(jié)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(xiàn)統(tǒng)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(fù)機器人在SCI患者獨立行走能力康復(fù)中的應(yīng)用

下肢康復(fù)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(zhuǎn)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(nèi)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(fù)機器人，受試者的持續(xù)步行距離可達到50～100 m，持續(xù)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?fù)機器人對于SCI患者的時空與運動參數(shù)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(fù)機器人在SCI患者多系統(tǒng)康復(fù)中的應(yīng)用

下肢康復(fù)機器人治療可以改善SCI后多系統(tǒng)并發(fā)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(fù)，使用下肢康復(fù)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(yīng)[35]。對于截癱患者的膀胱和腸道功能的臨床康復(fù)效果，下肢康復(fù)機器人可提升尿動力學，降低殘余尿量和結(jié)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(fā)揮患者盆底肌群與膀胱括約肌的連帶收縮功能，降低神經(jīng)元興奮閾值，抑制其不自主收縮，促進有效排尿、排便有關(guān)。

8 下肢康復(fù)機器人在SCI康復(fù)中應(yīng)用的局限性

經(jīng)過近20年的發(fā)展，下肢康復(fù)機器人的關(guān)節(jié)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(fù)治療中的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟。然而，不可否認的是，現(xiàn)階段下肢康復(fù)機器人仍有其臨床應(yīng)用的局限性。

8.1 在研發(fā)方面

種類稀少，國外發(fā)展先進，國內(nèi)雖已推出首款下肢康復(fù)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(fù)機器人的步態(tài)標準存在爭議，不具有統(tǒng)一性與流通性。其現(xiàn)存的驅(qū)動方式與控制方法不能滿足高精準、低消耗、輕質(zhì)量、便攜經(jīng)濟等要求，驅(qū)動方式與控制方法的融合創(chuàng)新仍然在探究中[37]。

8.2 在評估方面

對SCI患者康復(fù)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(tài)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(yōu)化，會出現(xiàn)治療局限和治療延長。

8.3 在訓練方面

下肢康復(fù)機器人價格高昂，可穿戴式機器人治療價格高達傳統(tǒng)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(fù)機器人的患者配合度高于傳統(tǒng)康復(fù)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(fù)情況。

8.4 在日常生活方面

許多SCI患者完成院內(nèi)康復(fù)治療后，仍無法獨立完成坐、站、行。而大多數(shù)下肢康復(fù)機器人都處于提供醫(yī)療治療或?qū)嶒炑芯?，較少應(yīng)用于日常生活階段。不同于在醫(yī)院專業(yè)的治療環(huán)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(shè)備負重過重[40]，使用舒適度不佳等問題。

9 下肢康復(fù)機器人在SCI康復(fù)中應(yīng)用的未來展望

9.1 在研發(fā)方面

在未來，使用全新的人工智能技術(shù)將很大程度提高下肢康復(fù)機器人的自主性。對臨床環(huán)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(fù)機器人的優(yōu)劣，尋找最佳適用SCI患者人群，進一步研發(fā)新型控制與反饋系統(tǒng)[41]。實驗室從不同角度對下肢康復(fù)機器人的控制與反饋系統(tǒng)進行探討，例如截癱患者的腿部活動[42]、膝關(guān)節(jié)的順應(yīng)性[43]、髖關(guān)節(jié)的屈伸[44]及3個自由度（3DOF）[45]等方面，定位SCI患者的發(fā)病原因，受限部位，并發(fā)癥與后遺癥，細化開發(fā)下肢康復(fù)機器人，實現(xiàn)點對點治療，提升康復(fù)治療效果。

9.2 在評估方面

在未來，下肢康復(fù)機器人將會參與到SCI康復(fù)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(tǒng)計，使用傳感器以及電子計算機收集運動信息，融合康復(fù)機器人電子反饋，轉(zhuǎn)化為每日訓練的多模態(tài)信息數(shù)據(jù)。下肢康復(fù)機器人通過每日訓練采集的數(shù)據(jù)，能及時發(fā)現(xiàn)個體康復(fù)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(fù)治療計劃。

9.3 在訓練方面

在未來，下肢康復(fù)機器人不僅可進行SCI患者特異性康復(fù)評估，還可以完成個體化康復(fù)訓練。在標準化訓練的前提下，對SCI患者的發(fā)病誘因，危險因素，階段需求，生活環(huán)境等進行模塊化構(gòu)建，設(shè)置多模態(tài)步行規(guī)劃，綜合多樣化治療方案，制定最佳訓練，完成精準化康復(fù)治療。

9.4 在日常生活方面

為了提高下肢康復(fù)機器人生活實用性，當下已經(jīng)有諸多研究付諸實踐，例如研究新型可穿戴輕質(zhì)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(chǎn)生被動作用力，降低患者新陳代謝和步態(tài)運動影響等[39]，可增加機器人日常應(yīng)用性，推進機器人國產(chǎn)化。在未來，下肢康復(fù)機器人將被引進醫(yī)院-家庭-社區(qū)-社會康復(fù)程序，加速醫(yī)養(yǎng)結(jié)合進程，為我國老齡化養(yǎng)療添磚加瓦。

10 小結(jié)

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

下肢康復(fù)機器人是正常步態(tài)模擬訓練，以任務(wù)為導向，聯(lián)合視、聽、觸互動，誘導強化正確的步行模式，實現(xiàn)高強度，高重復(fù)的康復(fù)訓練。其為患者帶來諸如增加關(guān)節(jié)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(fā)展，雖目前仍存在一定的局限，需要繼續(xù)改進與強化，但該領(lǐng)域的巨大潛力有目共睹，勢必引發(fā)醫(yī)療機械化的新趨勢。

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（收稿日期：2020-08-17）