下肢康復機器人對脊髓損傷患者步行能力改善的現狀及應用

雷俊芳，湯繼芹

（山東中醫藥大學康復醫學院，山東 濟南 250355）

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）發病率、患病率呈上升趨勢[1，2]，且非創傷性患病率偏高[2，3]。下肢運動功能障礙是脊髓損傷最常見的并發癥之一，進而出現痛疼、痙攣、肌肉萎縮等一系列機體功能的變化，增加了患者對脊髓損傷的恐懼，影響其生命質量及生活水平，同時給家庭和社會帶來了沉重負擔[1]。目前除了手術治療、藥物治療以及常規康復訓練應用于脊髓損傷患者外[4]，下肢康復機器人也作為輔助手段應用于脊髓損傷患者，幫助患者改善和恢復步行等能力[5]，減少患者的痛苦。下肢康復機器人是指一些可以輔助下肢有運動功能和感覺功能障礙的患者自動化或半自動化完成康復訓練的智能化設備；通過對下肢有運動功能和感覺功能障礙的肢體實施運動訓練和電刺激，并根據患者運動情況實時提供個性化變化，從而促進損傷神經形成其他反饋，刺激受損的神經再生或者未受損神經的代償，以達到神經修復的目的[6-8]。本文通過對下肢康復機器人改善脊髓損傷患者步行能力的研究現狀及其應用做一綜述，以期為進一步促進下肢康復機器人在醫院的廣泛應用、不斷地優化升級，以及康復醫學與智能化設備的結合提供參考。

1 下肢康復機器人國內外研究現狀

1.1 下肢康復機器人國外研究現狀 康復醫療機器人始于19 世紀90 年代俄羅斯人設計的增強跑和跳能力的外骨骼機器人，該外骨骼機器人的設計被業界廣為應用。20 世紀60 年代，美國研制出多種外骨骼樣機，其中具有代表性的是全身外骨骼試驗樣機Hardiman[9]。70 年代，南斯拉夫人提出了“零力矩點”行走穩定性判據理論，并研制出下肢外骨骼樣機Active Anthropomorphic Exoskeletons[10]。80～90年代，下肢外骨骼機器人進入沉寂期。隨著技術的發展，以及在90 年代不斷積累的經驗，許多國家逐漸加入到外骨骼機器人的研究行列，為后期的外骨骼機器人的發展奠定了堅實的基礎。如2000 年，美國的外骨骼項目研究計劃促進了外骨骼機器人的發展[10]。2001 年，日本駐波大學研制的Hybrid Assistive Leg（HAL）穿戴型的外骨骼機器人[11]，分別在2008 年實現了市場化，2013 年獲得安全認證并進行批量生產，2018 年獲得美國FDA 認證。2004 年，美國研制的下肢外骨骼機器人BLEEX[12]采用類人化設計，使穿戴更舒適。以色列ReWalk Robotics（ReWalk）公司研發并推出的以ReWalk 為名的下肢機器人[13]，分別在2011 年和2012 年推出康復版和個人版，并于2014 年獲得FDA 認證上市，該下肢機器人成為全球第一家獲得FDA 認證，同時也成為全球民用外骨骼系統的龍頭。除此之外，新西蘭Rex Bionics 公司研制的Rex[14]是目前市場上唯一一款不需要拐杖支持的外骨骼機器人，解放了患者的上肢。除去外骨骼式下肢機器人，末端執行器式下肢康復機器人也得到了長足的發展，常見的有Haptic Walker、Lokohelp 等[15]。

1.2 下肢康復機器人國內研究現狀 我國對下肢機器人的研究開始相對略晚。于2004 年研制出第一代實體樣機WPAL，通過對模型的不斷改進，實現了下肢康復機器人的柔順控制，使其更符合人體動力學、穿戴更舒服，同時可減少肌肉的疲勞[16]。2009-2011 年，華東理工大學曹恒教授課題組研制出三代下肢助力外骨骼樣機，從外觀和內部上均實現了對下肢助力外骨骼樣機的改進[10]。2011 年，中科大通過運用多門學科和原理，設計了多傳感感知系統，其利用足底壓力信息的變化來劃分步態周期和作為可穿戴助力機器人的控制依據，并根據傳感器做出位置、速度和助力的反饋信號，為可穿戴助力機器人的運動控制提供感知信息基礎[10]。2012 年上海交通大學根據人機工程和仿生學原理，設計并制造出一臺具有3 個自由度的單下肢外骨骼行走康復機器人樣機，通過機器人的行走步態測試樣機的性能，幫助在T5以下的脊髓損傷患者借助該機器人實現站立及行走的被動訓練[13]。2016 年哈爾濱工業大學采用“準擬人化”的外骨骼結構研制出一款下肢助力外骨骼機器人HIT-LEX（HIT Loadcarrying Exoskeleton）。該機器人面向健康人，主要功能是輔助背負重物的人群消耗更少的能量完成行走[16]。西安交通大學設計研究的凸輪連桿負重型外骨骼可以根據人體負重的變化調整對應前傾角度，從而增加行走的穩定性[17]。2017 年浙江大學研發出液壓驅動下肢外骨骼機器人，其設計的方案完善了下肢外骨骼擺動腿的跟隨控制。試驗結果表明，該下肢機器人是對之前下肢機器人研究的更進一步的突破。2018 年，北京大艾機器人科技有限公司的外骨骼機器人艾康、艾動，在我國第1 個獲得CFDA 認證，該機器人可以對患者進行個性化的適配，更好的輔助患者康復[18]。最近幾年對下肢康復機器人的研究，除了對結構的繼續改善外，出現了更多的研究方式，如針對健康人群、老年人群的下肢機器人的研究以及液壓式、對位姿勢等的下肢康復機器人，高校對下肢機器人的研究促進了下肢康復機器人的進一步發展。

近20 年來，下肢康復機器人得到了快速發展，在功能上經歷了從被動訓練到主動訓練的變化，在自由度上經歷了單個自由度到多個自由度的轉變，在體積經歷了由笨重向小巧的變化，其個性化、智能化也在不斷的提高。隨著技術的發展，下肢康復機器人的類型也逐漸豐富，不僅有面向疾患人群的下肢康復機器人，如HAL 和ReWalk[11]，也有面向健康人群的下肢機器人，如BLEEX[12]；還有針對卒中偏癱患者的機器人WA-H 和脊髓損傷的患者。除此之外，部分下肢康復機器人的負重輔助設計可以幫助患者減輕患肢的沉重感，幫助患者更好地使用和提升用戶體驗感。

2 下肢康復機器人在脊髓損傷患者中的應用

2.1 下肢康復機器人在完全性脊髓損傷患者中的應用 Wu CH 等[19]通過對2 位完全性脊髓損傷患者進行動力外骨骼步態訓練，待8 周訓練期結束后，2位患者均能在治療師的“監督”下走6 步，用動力外骨骼機器人進行坐立和行走；而且與使用膝-踝-足矯形器（KAFO）相比，患者可以走得更快、更遠，且沒有受傷和摔倒事件發生。在幫助患者完成訓練的同時，也有助于骨密度的增長。Kwon SH 等[20]通過隨機交叉設計，對10 位完全性脊髓損傷患者進行KAFO 和機器人（ReWalk）在能量效度和患者滿意度方面的比較，經過10 周的訓練（交換訓練方式前暫停2 周訓練）發現，ReWalk 機器人可以幫助患者使用更低的能量行走，但ReWalk 訓練組在患者滿意度方面并不優于KAFO 訓練組，其原因是Re－Walk 太笨重、佩戴和操作困難且價格高昂。下肢康復機器人可以輔助完全性脊髓損傷患者更好的恢復下肢運動功能，且具有較高的安全性，所需的能量更少，因此完全性脊髓損傷患者可以在治療師的指導下安全使用下肢康復機器人以協助恢復下肢運動功能。

2.2 下肢康復機器人在不完全性脊髓損傷患者中的應用 Martinez SA 等[21]對脊髓損傷患者進行多模式皮質和皮質下運動與跑步機訓練的比較，其研究結果表明，多模式訓練有助于促進短間隔H 反射，跑步機訓練傾向于改善動態坐姿平衡；但由于參與試驗人數較少，兩者并未顯示出顯著差異。Fang CY等[22]的研究顯示，機器人輔助步態訓練可以改善脊髓損傷患者的痙攣狀態和步行能力，有利于脊髓損傷患者肌肉張力的正常化和下肢功能的改善，且不會引起額外的疼痛，但機器人輔助步態訓練后，疼痛并未隨著痙攣的減輕而減輕。Kanazawa A 等[23]對單病例的反向設計研究顯示，慢性脊髓損傷患者通過結合步態訓練、HAL 輔助和常規步態訓練及物理治療，可以在短時間內改善步行能力。Hwang S等[24]對29 例脊髓損傷患者進行下肢康復機器人訓練，4 周后評估BBS 得分高于7 分，SCIM-Ⅲ-M 得分高于6 分，這說明脊髓損傷患者通過使用下肢康復機器人訓練一定時間后，其步態、步速、步行等能力有明顯改善。M?d?k M 等[5]將30 例不完全創傷性脊髓損傷患者隨機分為常規康復組和機器人輔助步態訓練組，研究結果顯示兩組LEMS、WISCI-Ⅱ和SCIM-Ⅲ評分較治療前均有改善，但機器人輔助步態訓練組的LESM、SCIM-Ⅲ評分效果更好，這表明機器人輔助步態訓練組在下肢運動功能和功能獨立性方面更占優勢；但是由于治療人數有限，因此需要更進一步的大規模前瞻性研究來證實。Yoshikawa K 等[25]的單病例分析證明下肢康復機器人可以幫助患者改善步態、步速、步行等能力。張子英等[26]的研究表明，下肢康復機器人訓練可以改善患者的平衡能力、下肢運動功能、步行能力及下肢肌力；但下肢康復機器人對脊髓損傷患者步行能力的改善還受年齡、受傷時間，以及損傷程度等因素的限制[24]。該研究表明下肢康復機器人在不完全性脊髓損傷患者的下肢運動功能恢復方面具有顯著優勢，且會改善痙攣等其他狀態，但由于參與實驗人數少，未來仍需大規模的臨床實驗繼續補充該方面的欠缺。

2.3 下肢康復機器人的局限性與改善建議 隨著經濟的發展，下肢康復機器人越來越多的被用以改善脊髓損傷患者的下肢功能；與此同時，下肢康復機器人的局限性也逐漸暴露出來：①患側肢體肌肉無法發揮主動性，需患者在肢體和認知上均參與[27]；②下肢康復機器人不能根據人體生理變化進行微調[28]；③由于儀器笨重和費用昂貴，難以居家使用，因此使用場地基本限于醫院[20]；④缺少與日常生活活動的結合，使用時受電源和不同路況的影響，限制患者運動[29]；⑤缺乏多中心大樣本的前瞻性研究[30]，且對完全性脊髓損傷患者的研究也較少；⑥我國目前雖然已經研發出多款外骨骼機器人，但還存在如結構不緊湊、使用材質較重、傳感器不夠精確等問題需要解決，且能用于臨床和實踐的還較少。因此，仍需要對提供感覺反饋提高其智能化程度，使患者在使用過程中能發揮肌肉的自主性，促進肌張力的恢復；繼續進行內部結構的改善，促進下肢機器人根據使用者的身高、肌肉等變化進行個性化調整和適應，根據人體生理變化進行微調；改進機器人使用的材質以促進其輕便化和平民化的發展，進一步改變使用場地的限制；通過與其他康復手段的結合，如腦機接口、腦電圖、肌電生物反饋等，提高人機配合度；進行大規模的前瞻性研究以提供更充分的證據。

3 總結

隨著經濟的快速發展以及機器人技術的成熟，輔助型機器人在醫院康復科得到廣泛應用，幫助患者恢復。由于大腦的可塑性及患者的積極參與，下肢康復機器人通過利用患者的殘存功能對患側肢體進行訓練，從而提高神經肌肉的興奮性，促進骨骼肌肉功能的恢復；患者通過運動訓練可進一步增加患側本體感覺和運動覺的輸入與輸出，從而促進中樞神經系統功能的重塑，加速肢體功能恢復，改善患者的步行能力。雖然下肢康復機器人在脊髓損傷患者步行能力改善方面已經取得不錯的成果，提高了患者的生活水平和生存質量，但是其依然存在很多問題，因此需要繼續對輔助型機器人進行研究，未來除了繼續對下肢機器人的結構進行改善以使其便攜化、平民化外，還可以考慮通過神經肌肉控制、意念控制力等實現對輔助型機器人的控制，從而繼續提高機器人的智能化程度，并使其根據人體的生理變化進行個性化調試。除此之外，還可以使下肢康復機器人與其他設備聯合使用，如腦機接口、肌電生物反饋等，通過其相輔相成的作用共同致力于脊髓損傷患者中樞神經系統的重塑、殘存功能的恢復及步行能力的改善，幫助更多有運動功能和感覺功能障礙的患者更好地改善或恢復身體功能，提高其生命質量和生活水平。