下肢外骨骼機(jī)器人在脊髓損傷中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王鋒 李靖龍

1昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院（昆明 650000）；2云南省第一人民醫(yī)院/昆明理工大學(xué)附屬醫(yī)院（昆明 650000）

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種致殘性疾病，以感覺、運(yùn)動(dòng)和自主神經(jīng)功能障礙為主要表現(xiàn)，使患者的家庭和社會(huì)背負(fù)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。目前全球SCI呈現(xiàn)高發(fā)趨勢(shì)，疾病負(fù)擔(dān)日益加重，我國(guó)亦為SCI高發(fā)生率國(guó)家，我國(guó)SCI患者超過300多萬(wàn)例，每年新增患者病例更是高達(dá)9萬(wàn)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(chǎn)生一系列并發(fā)癥，如體位性低血壓、痙攣、骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮、疼痛、心理障礙、認(rèn)知障礙和病理性骨折等，導(dǎo)致生存質(zhì)量下降[3-12]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有2 700萬(wàn)患者患有SCI后遺癥，每個(gè)SCI患者平均每年花費(fèi)約7萬(wàn)美元[13]。

對(duì)于SCI患者，恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力是重中之重。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練存在消耗人力資源、訓(xùn)練時(shí)不具備可重復(fù)性和持續(xù)性、患者缺乏主動(dòng)性等缺點(diǎn)，因此療效有限。外骨骼機(jī)器人則另辟蹊徑，通過輔以外部助力系統(tǒng)，從機(jī)械輔助的角度幫助SCI患者恢復(fù)活動(dòng)能力。本文旨在就下肢外骨骼機(jī)器人在SCI中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為SCI患者術(shù)后的康復(fù)基礎(chǔ)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(jī)器人簡(jiǎn)介

下肢外骨骼機(jī)器人是一種模仿自然界中外骨骼生物，并結(jié)合康復(fù)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、人體工程學(xué)、控制理論、信息處理技術(shù)等原理設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人，可佩戴在人體下肢上，在用戶控制下完成特定任務(wù)[14]。該設(shè)備可輔助各種SCI合并下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者重新站立及行走（圖1），相比傳統(tǒng)康復(fù)治療，它以更符合生理學(xué)的方式，提供一種高強(qiáng)度和可重復(fù)的個(gè)體化下肢步態(tài)訓(xùn)練，使患者在醫(yī)院或家中就能進(jìn)行科學(xué)而有效的康復(fù)功能訓(xùn)練，更好地提高了患者行走的耐力和獨(dú)立性，為下肢功能障礙患者提供了重返社會(huì)的可能性[15]。下肢外骨骼機(jī)器人主要由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)以及能源系統(tǒng)五大關(guān)鍵系統(tǒng)組成，可通過安裝在患者肢體上的傳感器獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)（包括各種能量、角度以及扭矩等）或生物電信號(hào)，并將這些信息傳輸至中央控制處理器，經(jīng)過控制器內(nèi)部接受、計(jì)算、分析、編碼，轉(zhuǎn)換為控制外部設(shè)備的指令，再傳遞到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最終由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)外骨骼的行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人與外界的交流以及對(duì)外部環(huán)境的控制（圖2）[16]。

圖1 外骨骼運(yùn)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(jī)器人工作原理Fig.2 The working principle of lower limb exoskeleton robot

2 下肢外骨骼機(jī)器人在脊髓損傷中的研究

近年來，隨著癱瘓患者數(shù)量逐年增多，康復(fù)人才緊缺，康復(fù)醫(yī)療資源的供需矛盾激化，外骨骼機(jī)器人開始走進(jìn)人們的視線。這一輔具不僅將專業(yè)康復(fù)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(fù)治療的效率。目前，下肢外骨骼機(jī)器人在SCI中主要有兩種應(yīng)用，按其功能用途分類可以分為功能輔助型和功能康復(fù)型[17]。功能康復(fù)型下肢外骨骼機(jī)器人，主要面向下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者，通過機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練，以達(dá)到逐漸恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)的能力，實(shí)現(xiàn)自主行走，如Lokomat、LOPES、ALEX等。功能輔助型下肢外骨骼機(jī)器人，這類機(jī)器人主要面向喪失下肢運(yùn)動(dòng)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(qū)別是前者只能幫助使用者在原地行走并進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，而后者是可以輔助佩戴者進(jìn)行遠(yuǎn)距離行走。下肢外骨骼機(jī)器人可增加SCI患者康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)間，減輕康復(fù)治療師工作強(qiáng)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(wù)。

近年來，外骨骼機(jī)器人已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。VOUGA 等[18]設(shè)計(jì)的TWIICE One外骨骼機(jī)器人以極簡(jiǎn)主義為理念，在提升設(shè)備堅(jiān)固性以及降低設(shè)備重量的基礎(chǔ)上，結(jié)合了智能輔助系統(tǒng)，即通過與智能手機(jī)或智能手表結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的訓(xùn)練狀態(tài)并發(fā)出相應(yīng)的指令，調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行模式。2021年，SHEPERTYCKY 等[19]開發(fā)輕質(zhì)背包外骨骼機(jī)器人，用于輔助行走，該設(shè)備可為受試者提供一定的助力，從而降低行走時(shí)的能量消耗。JUNG等[20]通過復(fù)刻人體下肢解刨學(xué)結(jié)構(gòu)，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(jié)合，最終設(shè)計(jì)出了一款柔性-剛性下肢外骨骼機(jī)器人，其動(dòng)力學(xué)行為等同于肌肉骨骼系統(tǒng)。該設(shè)備具有與人體相似的靈活性和運(yùn)動(dòng)范圍，大大提高了人機(jī)適應(yīng)性。CHEN等[21]研發(fā)出可穿戴的下肢外骨骼機(jī)器人Ai?robot，該設(shè)備可以提供足夠的力量來輔助行走，而無(wú)需下肢的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。Ai?ro?bot分兩種類型，即Aiwalker and Ailegs。Aiwalker的特點(diǎn)是體積小，易于移動(dòng)，步行練習(xí)可以在懸掛時(shí)或在真實(shí)地面上進(jìn)行，同時(shí)速度和步幅也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，適用于SCI慢性期的康復(fù)。Ailegs則沒有支撐平臺(tái)，適用于步態(tài)訓(xùn)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(shí)保持平衡。LU等[22]為了實(shí)現(xiàn)偏癱患者正常行走，根據(jù)仿生學(xué)原理提出了單腿外骨骼機(jī)器人，并提出了一種針對(duì)此類行走特性的自適應(yīng)調(diào)整策略，使外骨骼的步態(tài)根據(jù)健康腿的步幅和步幅頻率實(shí)時(shí)調(diào)整，從而達(dá)到更加自然的行走步態(tài)。GAO等[23]基于一種創(chuàng)新的仿真下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念，在深入了解傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的弊端和康復(fù)機(jī)器人性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)和仿真設(shè)計(jì)的原則設(shè)計(jì)了具有多自由度的髖關(guān)節(jié)、膝蓋和踝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)具有良好的佩戴舒適性和運(yùn)動(dòng)靈活性，其運(yùn)動(dòng)自由度更是與人體運(yùn)動(dòng)的自由度高度匹配。TIAN等[24]設(shè)計(jì)了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)多關(guān)節(jié)下肢外骨骼機(jī)器人，以減少下肢外骨骼的驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量、整體重量以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)多關(guān)節(jié)的方案可行性和有效性。劉建輝等[25]為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)耦合，還設(shè)計(jì)擁有10個(gè)自由度的下肢外骨骼機(jī)器人。通過ADAMS仿真分析和樣機(jī)試驗(yàn)，證實(shí)了該產(chǎn)品具有穩(wěn)定的協(xié)同運(yùn)動(dòng)性，且運(yùn)動(dòng)過程中舒適性較高。在此基礎(chǔ)上為滿足不同身高體重的SCI患者，該設(shè)備更是在大腿、小腿以及綁帶中心設(shè)計(jì)了一種可伸縮裝置，增加了設(shè)備的易用性。SHI等[26]設(shè)計(jì)了具有收集人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為電能的輕便外骨骼機(jī)器人，收集的能量被存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，以便在需要時(shí)為無(wú)線傳感設(shè)備供電，一定程度上延長(zhǎng)了外骨骼運(yùn)行時(shí)間。

3 下肢外骨骼機(jī)器人在SCI中的臨床應(yīng)用

大量的臨床證據(jù)，對(duì)于SCI患者，SCI患者的機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練可促進(jìn)身體代償功能和神經(jīng)的可塑性，不僅有效安全，還可以減少褥瘡、肺部感染、骨質(zhì)疏松、心肺及尿路感染等多系統(tǒng)并發(fā)癥的發(fā)生率，提高患者的生存質(zhì)量，降低康復(fù)護(hù)理成本[27-28]。

3.1 維持姿勢(shì)以及身體平衡下肢外骨骼機(jī)器人可為SCI患者提供一定的助力，輔助患者被動(dòng)或主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，激活軀干肌群，使患者在姿勢(shì)控制和運(yùn)動(dòng)策略學(xué)習(xí)中產(chǎn)生積極作用。姿勢(shì)控制機(jī)制又可進(jìn)一步激活軀干肌群，增強(qiáng)軀干肌肉的力量，提高患者對(duì)身體平衡的控制能力，糾正不良坐姿[29]。

3.2 改善異常步態(tài)和輔助行走下肢外骨骼機(jī)器人可以給患側(cè)提供一定的助力，降低患側(cè)下肢肌肉張力，糾正其足內(nèi)翻等畸形，從而顯著增加步長(zhǎng)、耐力以及步速，減少支撐相時(shí)間，最終達(dá)到改善SCI患者異常步態(tài)的目的。而且長(zhǎng)時(shí)間的地面行走訓(xùn)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(fù)甚至重建正常的行走步態(tài)。KIM等[30]通過對(duì)10例SCI患者進(jìn)行了外骨骼機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練，分別測(cè)量初期、中期、晚期的6 min步行試驗(yàn)和定時(shí)起動(dòng)試驗(yàn)以評(píng)估行走功能，結(jié)果顯示，患者的行走功能得到了顯著的改善。

3.3 生存質(zhì)量的改善SCI患者可能會(huì)經(jīng)歷身體表征的變化，導(dǎo)致對(duì)身體形象的不滿、自尊心的喪失、患者總體心理健康、生存質(zhì)量和情緒的降低。下肢外骨骼機(jī)器人輔助SCI患者完成部分日?；顒?dòng)，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(fā)生率，改善生存質(zhì)量[31]。

3.4 心肺功能的改善長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)器人外骨骼輔助行走可產(chǎn)生中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)水平，提供足夠的刺激來增強(qiáng)SCI人群的心血管功能，提高耗氧量和心率，促進(jìn)血液循環(huán)，降低患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)并改善身體健康狀況。FAHIKNER等[32]對(duì)6例SCI患者進(jìn)行了為期5 d的外骨骼機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練，研究結(jié)果顯示，受試者的動(dòng)脈反射波增強(qiáng)指數(shù)及平均動(dòng)脈壓顯著降低。ALAJAM等[33]對(duì)在此基礎(chǔ)上，將訓(xùn)練時(shí)間延長(zhǎng)至8周后發(fā)現(xiàn)，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(yīng)蛋白顯著降低。此外，與常規(guī)訓(xùn)練相比，外骨骼輔助步行訓(xùn)練對(duì)脊髓損傷患者的FVC、FVC%和FEV1等肺功能參數(shù)均有顯著的改善[34]。

3.5 降低壓瘡的發(fā)生率，改善代謝功能下肢外骨骼機(jī)器人輔助SCI患者重新站立行走，可有效降低壓瘡的發(fā)生率，同時(shí)促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)，改善排便[35]。此外，適當(dāng)?shù)目祻?fù)功能訓(xùn)練，可延緩失用性肌萎縮的進(jìn)展，增加肌肉對(duì)骨骼的機(jī)械應(yīng)力，使骨轉(zhuǎn)化趨于正平衡，防止骨質(zhì)進(jìn)一步流失，改善骨骼質(zhì)量，提升骨密度，降低病理性骨質(zhì)的發(fā)生率[36]。

4 下肢外骨骼機(jī)器人在脊髓損傷中的臨床應(yīng)用存在問題

4.1 穿戴的便攜性和舒適性傳統(tǒng)的下肢外骨骼機(jī)器人通常采用大量的剛性連桿或金屬剛性結(jié)構(gòu)，設(shè)備臃腫笨重，穿戴不便，環(huán)境的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性較差，且通常需要監(jiān)督（康復(fù)醫(yī)師）和使用助行器，很難運(yùn)用至日常生活中。柔性外骨骼的出現(xiàn)為這一現(xiàn)狀提供了解決方案。其好處有：（1）重量輕，能將系統(tǒng)重量集中到腰部；（2）結(jié)構(gòu)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(nèi)部，不易引起注意，減輕了穿著者的心理負(fù)擔(dān)。

4.2 缺乏全面的康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)由于不同類型的SCI患者在不同康復(fù)階段的運(yùn)動(dòng)能力是不一樣的，即康復(fù)需求不同。而目前并沒有一個(gè)完整的下肢外骨骼機(jī)器人輔助康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)，這就導(dǎo)致有些患者得到的助力模式并不是其正真需要的，使人機(jī)融合較為困難，影響佩戴者的運(yùn)動(dòng)功能及體驗(yàn)感，嚴(yán)重時(shí)甚至在步態(tài)訓(xùn)練過程中出現(xiàn)皮膚擦傷、“拖拽”穿戴者等情況，導(dǎo)致佩戴者對(duì)外骨骼機(jī)器人產(chǎn)生排斥心理。為此，我們需要建議一個(gè)全面的康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)，用于指導(dǎo)下肢外骨骼機(jī)器人為SCI患者提供合適的助力模式，使其在運(yùn)動(dòng)方式、訓(xùn)練模式、作業(yè)姿態(tài)及人機(jī)交互方式等方面更具有適應(yīng)性和靈活性。

4.3 成本許多下肢外骨骼機(jī)器人的共同問題是研發(fā)成本太高，這對(duì)于普通人來說是一筆高額的開銷，導(dǎo)致大多數(shù)SCI患者僅限于在特定的康復(fù)治療中使用此類設(shè)備，而不是在日常生活中使用[37]。研究發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械方面，高成本通常與高轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)有關(guān)；在電子方面，高成本主要與昂貴的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有關(guān)；在傳感方面，高成本通常與昂貴的力傳感器有關(guān)[38]。因此，為實(shí)現(xiàn)下肢外骨骼機(jī)器人價(jià)格的大眾化，應(yīng)在保證康復(fù)效果的前提下，結(jié)合驅(qū)動(dòng)器、電池和傳感器的新技術(shù)，盡可能的用價(jià)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(shù)量，從而幫助更多的患者接受、選擇和使用此類設(shè)備。

4.4 不良事件外骨骼輔助訓(xùn)練引起的不良事件，主要包括皮膚擦傷、踝關(guān)節(jié)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(xùn)練中常報(bào)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(fā)生的原因可能是缺乏外骨骼使用經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致。因此，在未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的普及，針對(duì)每一例SCI患者進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)，使更多患者獲得康復(fù)幫助。

4.5 能源的續(xù)航目前，有部分下肢外骨骼機(jī)器人屬于動(dòng)力輔助裝置，需要電池為期續(xù)航，但電池的續(xù)航能力越大，體積越大，設(shè)備也就越重，且SCI患者無(wú)法獨(dú)立完成電池的更換工作。針對(duì)此類問題，基于高效、便捷和輕小型的燃料電池、太陽(yáng)能充電系統(tǒng)以及生物能源等新能源技術(shù)目前已在一些外骨骼機(jī)器人樣機(jī)上進(jìn)行了少量探索性研究，未來有望成為外骨骼機(jī)器人的主要能源供應(yīng)方式。

5 總結(jié)

綜上所述，外骨骼機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)可以從三個(gè)方面使SCI人群受益：（1）高強(qiáng)度的重復(fù)步態(tài)訓(xùn)練可以幫助他們提高和恢復(fù)行走能力；（2）可以減少對(duì)康復(fù)師體力勞動(dòng)的需求，提高康復(fù)效率，縮短康復(fù)療程；（3）可以減少SCI繼發(fā)性并發(fā)癥，提高生存質(zhì)量，緩解家庭及社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)旦。外骨骼機(jī)器人作為SCI康復(fù)手段之一，如今正逐漸朝向多元化、智能化和個(gè)體化發(fā)展，雖目前仍存在一定的局限，需要繼續(xù)改進(jìn)與強(qiáng)化，易用性應(yīng)是其最大的特點(diǎn)。