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、運動和自主神經(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，疾病負(fù)擔(dān)日益加重，我國亦為SCI高發(fā)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(dá)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(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，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(fù)運動能力是重中之重。據(jù)相關(guān)研究報道，傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練存在消耗人力資源、訓(xùn)練時不具備可重復(fù)性和持續(xù)性、患者缺乏主動性等缺點，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)、運動生物力學(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合并下肢運動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(jī)器人主要由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(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數(shù)據(jù)（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(jīng)過控制器內(nèi)部接受、計算、分析、編碼，轉(zhuǎn)換為控制外部設(shè)備的指令，再傳遞到驅(qū)動系統(tǒng)，最終由驅(qū)動系統(tǒng)帶動外骨骼的行動，實現(xiàn)人與外界的交流以及對外部環(huán)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(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，主要面向下肢運動功能障礙的患者，通過機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練，以達(dá)到逐漸恢復(fù)下肢運動的能力，實現(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(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)計的TWIICE One外骨骼機(jī)器人以極簡主義為理念，在提升設(shè)備堅固性以及降低設(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，實時監(jiān)測患者的訓(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)計出了一款柔性-剛性下肢外骨骼機(jī)器人，其動力學(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動范圍，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(xí)可以在懸掛時或在真實地面上進(jìn)行，同時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，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，以便在使用時保持平衡。LU等[22]為了實現(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時調(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)計的原則設(shè)計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(shè)計了單電機(jī)驅(qū)動多關(guān)節(jié)下肢外骨骼機(jī)器人，以減少下肢外骨骼的驅(qū)動電機(jī)數(shù)量、整體重量以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，實驗結(jié)果驗證了單電機(jī)驅(qū)動多關(guān)節(jié)的方案可行性和有效性。劉建輝等[25]為了更好的實現(xiàn)人機(jī)耦合，還設(shè)計擁有10個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，證實了該產(chǎn)品具有穩(wěn)定的協(xié)同運動性，且運動過程中舒適性較高。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)計了一種可伸縮裝置，增加了設(shè)備的易用性。SHI等[26]設(shè)計了具有收集人體運動時的動能并轉(zhuǎn)化為電能的輕便外骨骼機(jī)器人，收集的能量被存儲在超級電容器中，以便在需要時為無線傳感設(shè)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(jī)器人在SCI中的臨床應(yīng)用

大量的臨床證據(jù)，對于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，輔助患者被動或主動康復(fù)訓(xùn)練，激活軀干肌群，使患者在姿勢控制和運動策略學(xué)習(xí)中產(chǎn)生積極作用。姿勢控制機(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、耐力以及步速，減少支撐相時間，最終達(dá)到改善SCI患者異常步態(tài)的目的。而且長時間的地面行走訓(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(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患者可能會經(jīng)歷身體表征的變化，導(dǎo)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(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?，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 心肺功能的改善長時間的機(jī)器人外骨骼輔助行走可產(chǎn)生中等強(qiáng)度的運動水平，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)險并改善身體健康狀況。FAHIKNER等[32]對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，受試者的動脈反射波增強(qiáng)指數(shù)及平均動脈壓顯著降低。ALAJAM等[33]對在此基礎(chǔ)上，將訓(xùn)練時間延長至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，同時促進(jìn)胃腸蠕動，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)性和運動的靈活性較差，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)評估系統(tǒng)由于不同類型的SCI患者在不同康復(fù)階段的運動能力是不一樣的，即康復(fù)需求不同。而目前并沒有一個完整的下肢外骨骼機(jī)器人輔助康復(fù)評估系統(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，影響佩戴者的運動功能及體驗感，嚴(yán)重時甚至在步態(tài)訓(xùn)練過程中出現(xiàn)皮膚擦傷、“拖拽”穿戴者等情況，導(dǎo)致佩戴者對外骨骼機(jī)器人產(chǎn)生排斥心理。為此，我們需要建議一個全面的康復(fù)評估系統(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，使其在運動方式、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)動有關(guān)；在電子方面，高成本主要與昂貴的實時操作系統(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，為實現(xiàn)下肢外骨骼機(jī)器人價格的大眾化，應(yīng)在保證康復(fù)效果的前提下，結(jié)合驅(qū)動器、電池和傳感器的新技術(shù)，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(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)驗導(dǎo)致。因此，在未來應(yīng)加強(qiáng)對下肢外骨骼機(jī)器人相關(guān)知識的普及，針對每一例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(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）可以減少對康復(fù)師體力勞動的需求，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。