雷俊芳，湯繼芹

（山東中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250355）

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）發(fā)病率、患病率呈上升趨勢[1，2]，且非創(chuàng)傷性患病率偏高[2，3]。下肢運(yùn)動功能障礙是脊髓損傷最常見的并發(fā)癥之一，進(jìn)而出現(xiàn)痛疼、痙攣、肌肉萎縮等一系列機(jī)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(zhì)量及生活水平，同時給家庭和社會帶來了沉重負(fù)擔(dān)[1]。目前除了手術(shù)治療、藥物治療以及常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用于脊髓損傷患者外[4]，下肢康復(fù)機(jī)器人也作為輔助手段應(yīng)用于脊髓損傷患者，幫助患者改善和恢復(fù)步行等能力[5]，減少患者的痛苦。下肢康復(fù)機(jī)器人是指一些可以輔助下肢有運(yùn)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(fù)訓(xùn)練的智能化設(shè)備；通過對下肢有運(yùn)動功能和感覺功能障礙的肢體實施運(yùn)動訓(xùn)練和電刺激，并根據(jù)患者運(yùn)動情況實時提供個性化變化，從而促進(jìn)損傷神經(jīng)形成其他反饋，刺激受損的神經(jīng)再生或者未受損神經(jīng)的代償，以達(dá)到神經(jīng)修復(fù)的目的[6-8]。本文通過對下肢康復(fù)機(jī)器人改善脊髓損傷患者步行能力的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用做一綜述，以期為進(jìn)一步促進(jìn)下肢康復(fù)機(jī)器人在醫(yī)院的廣泛應(yīng)用、不斷地優(yōu)化升級，以及康復(fù)醫(yī)學(xué)與智能化設(shè)備的結(jié)合提供參考。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 下肢康復(fù)機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀 康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人始于19 世紀(jì)90 年代俄羅斯人設(shè)計的增強(qiáng)跑和跳能力的外骨骼機(jī)器人，該外骨骼機(jī)器人的設(shè)計被業(yè)界廣為應(yīng)用。20 世紀(jì)60 年代，美國研制出多種外骨骼樣機(jī)，其中具有代表性的是全身外骨骼試驗樣機(jī)Hardiman[9]。70 年代，南斯拉夫人提出了“零力矩點(diǎn)”行走穩(wěn)定性判據(jù)理論，并研制出下肢外骨骼樣機(jī)Active Anthropomorphic Exoskeletons[10]。80～90年代，下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)入沉寂期。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及在90 年代不斷積累的經(jīng)驗，許多國家逐漸加入到外骨骼機(jī)器人的研究行列，為后期的外骨骼機(jī)器人的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。如2000 年，美國的外骨骼項目研究計劃促進(jìn)了外骨骼機(jī)器人的發(fā)展[10]。2001 年，日本駐波大學(xué)研制的Hybrid Assistive Leg（HAL）穿戴型的外骨骼機(jī)器人[11]，分別在2008 年實現(xiàn)了市場化，2013 年獲得安全認(rèn)證并進(jìn)行批量生產(chǎn)，2018 年獲得美國FDA 認(rèn)證。2004 年，美國研制的下肢外骨骼機(jī)器人BLEEX[12]采用類人化設(shè)計，使穿戴更舒適。以色列ReWalk Robotics（ReWalk）公司研發(fā)并推出的以ReWalk 為名的下肢機(jī)器人[13]，分別在2011 年和2012 年推出康復(fù)版和個人版，并于2014 年獲得FDA 認(rèn)證上市，該下肢機(jī)器人成為全球第一家獲得FDA 認(rèn)證，同時也成為全球民用外骨骼系統(tǒng)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(jī)器人，解放了患者的上肢。除去外骨骼式下肢機(jī)器人，末端執(zhí)行器式下肢康復(fù)機(jī)器人也得到了長足的發(fā)展，常見的有Haptic Walker、Lokohelp 等[15]。

1.2 下肢康復(fù)機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國對下肢機(jī)器人的研究開始相對略晚。于2004 年研制出第一代實體樣機(jī)WPAL，通過對模型的不斷改進(jìn)，實現(xiàn)了下肢康復(fù)機(jī)器人的柔順控制，使其更符合人體動力學(xué)、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(xué)曹恒教授課題組研制出三代下肢助力外骨骼樣機(jī)，從外觀和內(nèi)部上均實現(xiàn)了對下肢助力外骨骼樣機(jī)的改進(jìn)[10]。2011 年，中科大通過運(yùn)用多門學(xué)科和原理，設(shè)計了多傳感感知系統(tǒng)，其利用足底壓力信息的變化來劃分步態(tài)周期和作為可穿戴助力機(jī)器人的控制依據(jù)，并根據(jù)傳感器做出位置、速度和助力的反饋信號，為可穿戴助力機(jī)器人的運(yùn)動控制提供感知信息基礎(chǔ)[10]。2012 年上海交通大學(xué)根據(jù)人機(jī)工程和仿生學(xué)原理，設(shè)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(fù)機(jī)器人樣機(jī)，通過機(jī)器人的行走步態(tài)測試樣機(jī)的性能，幫助在T5以下的脊髓損傷患者借助該機(jī)器人實現(xiàn)站立及行走的被動訓(xùn)練[13]。2016 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用“準(zhǔn)擬人化”的外骨骼結(jié)構(gòu)研制出一款下肢助力外骨骼機(jī)器人HIT-LEX（HIT Loadcarrying Exoskeleton）。該機(jī)器人面向健康人，主要功能是輔助背負(fù)重物的人群消耗更少的能量完成行走[16]。西安交通大學(xué)設(shè)計研究的凸輪連桿負(fù)重型外骨骼可以根據(jù)人體負(fù)重的變化調(diào)整對應(yīng)前傾角度，從而增加行走的穩(wěn)定性[17]。2017 年浙江大學(xué)研發(fā)出液壓驅(qū)動下肢外骨骼機(jī)器人，其設(shè)計的方案完善了下肢外骨骼擺動腿的跟隨控制。試驗結(jié)果表明，該下肢機(jī)器人是對之前下肢機(jī)器人研究的更進(jìn)一步的突破。2018 年，北京大艾機(jī)器人科技有限公司的外骨骼機(jī)器人艾康、艾動，在我國第1 個獲得CFDA 認(rèn)證，該機(jī)器人可以對患者進(jìn)行個性化的適配，更好的輔助患者康復(fù)[18]。最近幾年對下肢康復(fù)機(jī)器人的研究，除了對結(jié)構(gòu)的繼續(xù)改善外，出現(xiàn)了更多的研究方式，如針對健康人群、老年人群的下肢機(jī)器人的研究以及液壓式、對位姿勢等的下肢康復(fù)機(jī)器人，高校對下肢機(jī)器人的研究促進(jìn)了下肢康復(fù)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展。

近20 年來，下肢康復(fù)機(jī)器人得到了快速發(fā)展，在功能上經(jīng)歷了從被動訓(xùn)練到主動訓(xùn)練的變化，在自由度上經(jīng)歷了單個自由度到多個自由度的轉(zhuǎn)變，在體積經(jīng)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(shù)的發(fā)展，下肢康復(fù)機(jī)器人的類型也逐漸豐富，不僅有面向疾患人群的下肢康復(fù)機(jī)器人，如HAL 和ReWalk[11]，也有面向健康人群的下肢機(jī)器人，如BLEEX[12]；還有針對卒中偏癱患者的機(jī)器人WA-H 和脊髓損傷的患者。除此之外，部分下肢康復(fù)機(jī)器人的負(fù)重輔助設(shè)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(fù)機(jī)器人在脊髓損傷患者中的應(yīng)用

2.1 下肢康復(fù)機(jī)器人在完全性脊髓損傷患者中的應(yīng)用 Wu CH 等[19]通過對2 位完全性脊髓損傷患者進(jìn)行動力外骨骼步態(tài)訓(xùn)練，待8 周訓(xùn)練期結(jié)束后，2位患者均能在治療師的“監(jiān)督”下走6 步，用動力外骨骼機(jī)器人進(jìn)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(yuǎn)，且沒有受傷和摔倒事件發(fā)生。在幫助患者完成訓(xùn)練的同時，也有助于骨密度的增長。Kwon SH 等[20]通過隨機(jī)交叉設(shè)計，對10 位完全性脊髓損傷患者進(jìn)行KAFO 和機(jī)器人（ReWalk）在能量效度和患者滿意度方面的比較，經(jīng)過10 周的訓(xùn)練（交換訓(xùn)練方式前暫停2 周訓(xùn)練）發(fā)現(xiàn)，ReWalk 機(jī)器人可以幫助患者使用更低的能量行走，但ReWalk 訓(xùn)練組在患者滿意度方面并不優(yōu)于KAFO 訓(xùn)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(fù)機(jī)器人可以輔助完全性脊髓損傷患者更好的恢復(fù)下肢運(yùn)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(dǎo)下安全使用下肢康復(fù)機(jī)器人以協(xié)助恢復(fù)下肢運(yùn)動功能。

2.2 下肢康復(fù)機(jī)器人在不完全性脊髓損傷患者中的應(yīng)用 Martinez SA 等[21]對脊髓損傷患者進(jìn)行多模式皮質(zhì)和皮質(zhì)下運(yùn)動與跑步機(jī)訓(xùn)練的比較，其研究結(jié)果表明，多模式訓(xùn)練有助于促進(jìn)短間隔H 反射，跑步機(jī)訓(xùn)練傾向于改善動態(tài)坐姿平衡；但由于參與試驗人數(shù)較少，兩者并未顯示出顯著差異。Fang CY等[22]的研究顯示，機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練可以改善脊髓損傷患者的痙攣狀態(tài)和步行能力，有利于脊髓損傷患者肌肉張力的正?；拖轮δ艿母纳疲也粫痤~外的疼痛，但機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)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(shè)計研究顯示，慢性脊髓損傷患者通過結(jié)合步態(tài)訓(xùn)練、HAL 輔助和常規(guī)步態(tài)訓(xùn)練及物理治療，可以在短時間內(nèi)改善步行能力。Hwang S等[24]對29 例脊髓損傷患者進(jìn)行下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)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(fù)機(jī)器人訓(xùn)練一定時間后，其步態(tài)、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(chuàng)傷性脊髓損傷患者隨機(jī)分為常規(guī)康復(fù)組和機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練組，研究結(jié)果顯示兩組LEMS、WISCI-Ⅱ和SCIM-Ⅲ評分較治療前均有改善，但機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練組的LESM、SCIM-Ⅲ評分效果更好，這表明機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練組在下肢運(yùn)動功能和功能獨(dú)立性方面更占優(yōu)勢；但是由于治療人數(shù)有限，因此需要更進(jìn)一步的大規(guī)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(fù)機(jī)器人可以幫助患者改善步態(tài)、步速、步行等能力。張子英等[26]的研究表明，下肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練可以改善患者的平衡能力、下肢運(yùn)動功能、步行能力及下肢肌力；但下肢康復(fù)機(jī)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(fù)機(jī)器人在不完全性脊髓損傷患者的下肢運(yùn)動功能恢復(fù)方面具有顯著優(yōu)勢，且會改善痙攣等其他狀態(tài)，但由于參與實驗人數(shù)少，未來仍需大規(guī)模的臨床實驗繼續(xù)補(bǔ)充該方面的欠缺。

2.3 下肢康復(fù)機(jī)器人的局限性與改善建議 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，下肢康復(fù)機(jī)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(fù)機(jī)器人的局限性也逐漸暴露出來：①患側(cè)肢體肌肉無法發(fā)揮主動性，需患者在肢體和認(rèn)知上均參與[27]；②下肢康復(fù)機(jī)器人不能根據(jù)人體生理變化進(jìn)行微調(diào)[28]；③由于儀器笨重和費(fèi)用昂貴，難以居家使用，因此使用場地基本限于醫(yī)院[20]；④缺少與日常生活活動的結(jié)合，使用時受電源和不同路況的影響，限制患者運(yùn)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(jīng)研發(fā)出多款外骨骼機(jī)器人，但還存在如結(jié)構(gòu)不緊湊、使用材質(zhì)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(fā)揮肌肉的自主性，促進(jìn)肌張力的恢復(fù)；繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改善，促進(jìn)下肢機(jī)器人根據(jù)使用者的身高、肌肉等變化進(jìn)行個性化調(diào)整和適應(yīng)，根據(jù)人體生理變化進(jìn)行微調(diào)；改進(jìn)機(jī)器人使用的材質(zhì)以促進(jìn)其輕便化和平民化的發(fā)展，進(jìn)一步改變使用場地的限制；通過與其他康復(fù)手段的結(jié)合，如腦機(jī)接口、腦電圖、肌電生物反饋等，提高人機(jī)配合度；進(jìn)行大規(guī)模的前瞻性研究以提供更充分的證據(jù)。

3 總結(jié)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及機(jī)器人技術(shù)的成熟，輔助型機(jī)器人在醫(yī)院康復(fù)科得到廣泛應(yīng)用，幫助患者恢復(fù)。由于大腦的可塑性及患者的積極參與，下肢康復(fù)機(jī)器人通過利用患者的殘存功能對患側(cè)肢體進(jìn)行訓(xùn)練，從而提高神經(jīng)肌肉的興奮性，促進(jìn)骨骼肌肉功能的恢復(fù)；患者通過運(yùn)動訓(xùn)練可進(jìn)一步增加患側(cè)本體感覺和運(yùn)動覺的輸入與輸出，從而促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的重塑，加速肢體功能恢復(fù)，改善患者的步行能力。雖然下肢康復(fù)機(jī)器人在脊髓損傷患者步行能力改善方面已經(jīng)取得不錯的成果，提高了患者的生活水平和生存質(zhì)量，但是其依然存在很多問題，因此需要繼續(xù)對輔助型機(jī)器人進(jìn)行研究，未來除了繼續(xù)對下肢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善以使其便攜化、平民化外，還可以考慮通過神經(jīng)肌肉控制、意念控制力等實現(xiàn)對輔助型機(jī)器人的控制，從而繼續(xù)提高機(jī)器人的智能化程度，并使其根據(jù)人體的生理變化進(jìn)行個性化調(diào)試。除此之外，還可以使下肢康復(fù)機(jī)器人與其他設(shè)備聯(lián)合使用，如腦機(jī)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(jīng)系統(tǒng)的重塑、殘存功能的恢復(fù)及步行能力的改善，幫助更多有運(yùn)動功能和感覺功能障礙的患者更好地改善或恢復(fù)身體功能，提高其生命質(zhì)量和生活水平。