下肢康复机器人在脊髓损伤康复中的应用

姚嘉欣 李哲

[摘要] 下肢康复机器人是近年来康复医学中的研究热点，通过程序化的被动下肢运动，促进大脑可塑性的发生，增加患者的主动运动，改善患者下肢功能，对脊髓损伤患者的坐姿平衡，步行能力，独立行走，多系统康复存在积极意义。经过近20年的高速发展，下肢康复机器人在治疗脊髓损伤方面，其研发、评估、训练和日常生活已较为成熟，虽不可避免存在一定局限性，但其未来发展也同样是重点康复研究内容，本文对下肢康复机器人在脊髓损伤康复中的应用进行综述。

[关键词] 下肢康复机器人;下肢机器人;脊髓损伤;文献综述

[中图分类号] R651.2          [文献标识码] A          [文章编号] 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

脊髓損伤（Spinal cord injury，SCI）是指由各种原因导致椎管内神经结构及其功能的损害，出现损伤水平及以下的运动、感觉、反射等脊髓功能障碍，是一种严重致残性的疾病[1]。SCI可引发多种临床综合征和系统并发症，导致患者生理机能紊乱，严重影响患者的生存能力。

近年来，SCI发病率在全球范围内以较高速度攀升，关于SCI的治疗已成为科研与医疗工作者的研究重点。既往通过甲基强的松龙为首的药物治疗[2];使用胚胎组织或细胞移植介导中枢神经系统轴突再生的移植治疗[3];利用分子生物学和细胞学手段，将目的DNA片段转移至特定细胞合成蛋白质的基因治疗[4]，对SCI患者进行干预。但这些治疗方法存在见效慢、副作用大、操作易失败、花费高昂等缺点，而且对SCI患者下肢步行恢复效果不佳。

下肢康复机器人在治疗SCI患者时，可以通过程序化的被动运动，改善患者步行能力，促进下肢功能的恢复，增强血液循环，降低肌肉张力，提升生活能力。

1 下肢康复机器人的发展

20世纪60年代，外骨骼机器人开始被研究用于提高军人负重承载能力[5]。至20世纪80年代，下肢机器人研究达到起步阶段，引起全世界科研和医疗工作者的重视。20世纪90年代，为了减轻治疗师的体力劳动，达到运动控制与精准治疗，开始出现自动化和机器人辅助的运动康复，将下肢康复机器人引入并应用于康复治疗领域[6-7]。在近20年中，下肢康复机器人得到高速发展[8]。

下肢康复机器人通常使用悬吊减重技术进行步态训练，悬吊减重是在患者胸部或腰部穿戴固定装置，通过连接固定装置及上方支架的绳索，达到牵提躯干，实现体重支撑与直立姿势维持，完成部分站立康复的目的。进而在站立的基础上，使用作用介质与患者足部相互作用，完成下肢交替运动的步态训练。较为典型的悬吊减重步态训练机器人有Lokomat、Mechanical Gait Trainer（MGT）、Haptic Walker、Auto Ambulator等。

下肢康复机器人在初始阶段往往采用被动式训练，如早期初始的Lokomat机器人和MGT机器人。此类机器人通过被动训练可增加患者下肢运动功能，补充正常步行模式，调节失控的自主步态。但其训练时强调重复连续被动运动，常为患者被动接收机器人带动，执行固定轨迹运动，缺少主动参与的运动意图。

为了改善患者主动性差，悬吊减重类机器人MGT在原有基础上创新出Haptic Walker下肢康复机器人[9]。该机器人可通过调节末端脚踏板运动，模拟正常行走轨迹，完成多种复杂移动，其系统动态性结合虚拟现实技术，可以还原不同场景下的多样化运动，提高了患者的主观能动性，康复效果更显著。

在2005～2007年间面世了具备7种工作模式的Kine Assist机器人、将自由度增加至3个的“灵活”Auto Ambulator下肢机器人与存在受试者自主主导和机器人驱动两种模式的LOPES康复机器人，这三种机器人也同样是减重悬吊下肢康复机器人中的一员[10-11]。此时的下肢康复机器人体积庞大，往往需要单独放置，且安装程序复杂繁琐。在2008年，德国公司开发出Lokophelp步态训练机器人[12]有效的解决了上述问题。该机器人运用了高模块化设计方案，体积较小，易于安装、组合、调试和拆卸，实现了不同坡度的调节，协助患者强化上下坡训练。

减重悬吊装置能够减轻患者站立所需的主动支撑力量，在生命体征稳定的情况下早期介入疾病，实现加速站立与行走康复训练，但使用减重装置的步态训练机器人可能会导致患者平衡感觉丧失，导致异常步态，不利于后期康复。此时，下肢康复机器人的研发开始倾向于独立可穿戴下肢机器人，由穿戴式外骨骼和辅助移动装置，或额外增加的稳定支撑结构组成，可进一步帮助患者进行平衡训练与日常活动。

HAL（Hybrid assistive limb）下肢机器人作为世界上第一个生物体型可穿戴下肢康复机器人[13]，运用表面肌电信号采集使用者的运动意图，完成起立、直立行走和上下楼梯等日常生活活动。与以往的减重悬吊下肢康复机器人不同，该机器人还增加了负重辅助，增加使用者承重能力，更贴合日常生活。

ReWalk康复机器人主要目标群体为可使用上肢及躯干功能辅助的SCI导致下肢完全或不完全截瘫患者[14]，WA-H下肢机器人则是专为卒中偏瘫患者研制的[15]。此类独立可穿戴式步态机器人，机械矫形器更加近似于人类腿部结构，在弥补平衡训练的同时，完成步态康复与日常活动，更具实用价值。下肢康复机器人20年间的持续发展，正是机器人领域朝向准确，高效，经济，便利的目标大步跨越的过程，其巨大潜力将继续吸引科研人员探索新方向，使患病家庭看到新生希望。

2 下肢康复机器人的分类

对于下肢康复机器人的科学研究，需经历机械结构和步行模型的构建，动力学及运动学的分析，能量计算，步态规划以及反馈再调等步骤。因其为机械学、电子学、生物医学、临床医学等多学科结合产物，所以根据不同划分标准，下肢康复机器人可有多种分类。

按照适用人群分类，可分为以下三类：①健康人：在特殊情境下增强健康人的运动功能，如伯克利全下肢外骨骼（Berkeley lower extremity exoskeleton，BLEEX）[16];②康复治疗患者：下肢运动功能障碍患者步态康复训练，如ReWalk[14];③残障人士及部分老年人：辅助坐、站、行，完成日常活动，如HAL[17]。

根据控制参数分类，可分为以下四类：基于位置的控制，如Lokomat[18];基于力信息的人机交互控制，如ALEX（Active leg exoskeleton）[19];基于生物电信号的人机交互控制，如HAL[20]、LOPES[11];基于智能控制，如LEE K[21]。

根据关节驱动方式，可以分为四类：气压驱动，如Power assist wear by D. Sasaki[22];液压驱动，如BLEEX[23];电机驱动，如Ekso[24];串联弹性驱动器驱动，如NASA X1[25]。

3 下肢康复机器人治疗SCI的原理

SCI后通过运动再学习改善异常步态，其原理可能为大脑可塑性理论。大脑可塑性是通过进行大量的特定任务训练让患者进行充足的重复性活动[26]，从而使SCI后正在进行功能重组的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式[27]。或是反复运动训练后，形成条件刺激，进而促使脊髓可塑与神经重构的发生[28]。

在大鼠SCI后输入并建立正确的正常大鼠脚步模式，诱导强化正常的踩踏模式，相较于手动辅助训练，其异常步态得到更有效的改善[29]。Neckel等[30]也发现了大鼠可以通过体重支持训练，加速自发性恢复，改善SCI后异常步态，证实了大脑可能存在可塑性，脊髓可能具有运动学习能力。

4 下肢康复机器人在SCI患者坐姿平衡康复中的应用

下肢康复机器人改善患者坐姿平衡，通常为患者进行举重运动主动参与触发步骤，激活躯干肌群，进行地面步态训练，强化躯干肌群激活。Chisholm等[31]进行随机临床实验则进一步证实，Ekso下肢机器人相较于Lokomat康复机器人对受试者坐姿平衡改善更为明显，其原因可能与Ekso训练后，姿势控制机制更积极招募躯干肌肉，增加姿势稳定性，提升平衡控制能力，改善患者坐姿平衡有關。

5 下肢康复机器人在SCI患者步行能力康复中的应用

SCI后下肢功能障碍主要表现为下肢肌无力，步行距离短，速度慢和耐力低，进而出现异常步态。下肢康复机器人广泛应用于SCI各期患者，对SCI患者进行高重复性和高功能性运动康复治疗，可提高其下肢运动功能。

下肢康复机器人对各时期SCI步行能力均有改善，主要改善下肢步行距离，增加下肢肌力，提升步行速度。Tefertiller等随机临床实验表明，在急性期下肢康复机器人辅助步态训练（Robot assisted gait training，RAGT）可以很大程度的改善6 min步行距离和10 m步行时间，增加下肢肌肉力量，提高腿部活动性和独立性[32]，有患者在经过12周RAGT治疗后，出现跨等级变化的积极现象[33]。对于急性期不完全性SCI的患者，RAGT可以比传统地面训练更大程度地改善与运动相关的结局。而在慢性期，Meta分析则显示，SCI患者通过RAGT治疗在步行速度方面出现统计学意义的改善，但在平衡方面改变则不明显[32]。

6 下肢康复机器人在SCI患者独立行走能力康复中的应用

下肢康复机器人对SCI后无法自主行走的患者，可以辅助其完成个体的转移与移动，改善其独立行走能力。使用Indego下肢机器人改善了受试者室内外中点步行和最终步行速度，提高了平均步行耐力[34]。使用ReWalk康复机器人，受试者的持续步行距离可达到50～100 m，持续步行时间达到5～10 min，速度范围达到0.03～0.45 m/s（平均0.25 m/s）[14]。可穿戴式下肢康复机器人对于SCI患者的时空与运动参数的积极改变，在SCI患者完成独立行走后，进一步提出了跑步、跳高，甚至搬抬重物的可能性，为患者重新融入社会提供新希望。

7 下肢康复机器人在SCI患者多系统康复中的应用

下肢康复机器人治疗可以改善SCI后多系统并发症与机体生理功能。慢性完全性SCI患者运动功能受限，无法独立完成体能康复，使用下肢康复机器人辅助行走后，患者的心肺和代谢需求可达到中等活动强度，有助于改善心肺功能与增加机体代谢反应[35]。对于截瘫患者的膀胱和肠道功能的临床康复效果，下肢康复机器人可提升尿动力学，降低残余尿量和结肠传输时间，肠道功能改善率达到了31.6%[36]。其原因可能与机器人辅助行走充分发挥患者盆底肌群与膀胱括约肌的连带收缩功能，降低神经元兴奋阈值，抑制其不自主收缩，促进有效排尿、排便有关。

8 下肢康复机器人在SCI康复中应用的局限性

经过近20年的发展，下肢康复机器人的关节自由度由一个增加至多个，训练模式由单一模式扩展至多模式，助行机制由助力运动延伸至动力运动，在SCI康复治疗中的应用已经十分成熟。然而，不可否认的是，现阶段下肢康复机器人仍有其临床应用的局限性。

8.1 在研发方面

种类稀少，国外发展先进，国内虽已推出首款下肢康复机器人——大艾机器人，但大部分仍处在实验室阶段，面向市场还需时间。下肢康复机器人的步态标准存在争议，不具有统一性与流通性。其现存的驱动方式与控制方法不能满足高精准、低消耗、轻质量、便携经济等要求，驱动方式与控制方法的融合创新仍然在探究中[37]。

8.2 在评估方面

对SCI患者康复进展的评估，采取固定时间间隔，由治疗小组成员，使用评估量表、脑、肌电图、三维步态分析等综合测评。此评估体系缺乏个体的特异性评估与及时优化，会出现治疗局限和治疗延长。

8.3 在训练方面

下肢康复机器人价格高昂，可穿戴式机器人治疗价格高达传统疗法费用的2～3倍[6]。机器人的使用需要治疗师指导，对SCI患者意识水平及身体机能要求高。虽然，下肢康复机器人的患者配合度高于传统康复手段[6]，但仍存在患者主动参与性较差，依靠机器人强制被动引导，影响自主肌力恢复情况。

8.4 在日常生活方面

许多SCI患者完成院内康复治疗后，仍无法独立完成坐、站、行。而大多数下肢康复机器人都处于提供医疗治疗或实验研究，较少应用于日常生活阶段。不同于在医院专业的治疗环境中，在日常生活中，需要解决电源供给限制步行时间，不同路况影响患者运动[38]，步行惯性过大，改变自然运动模式[39]，设备负重过重[40]，使用舒适度不佳等问题。

9 下肢康复机器人在SCI康复中应用的未来展望

9.1 在研发方面

在未来，使用全新的人工智能技术将很大程度提高下肢康复机器人的自主性。对临床环境中使用的控制策略进行评估汇总，归纳临床各类下肢康复机器人的优劣，寻找最佳适用SCI患者人群，进一步研发新型控制与反馈系统[41]。实验室从不同角度对下肢康复机器人的控制与反馈系统进行探讨，例如截瘫患者的腿部活动[42]、膝关节的顺应性[43]、髋关节的屈伸[44]及3个自由度（3DOF）[45]等方面，定位SCI患者的发病原因，受限部位，并发症与后遗症，细化开发下肢康复机器人，实现点对点治疗，提升康复治疗效果。

9.2 在评估方面

在未来，下肢康复机器人将会参与到SCI康复评估体系中。采用多个固定标记靶点对患者体表标志的位移进行统计，使用传感器以及电子计算机收集运动信息，融合康复机器人电子反馈，转化为每日训练的多模态信息数据。下肢康复机器人通过每日训练采集的数据，能及时发现个体康复信息变化，提示治疗小组针对患者当前情况，重新评估制订康复治疗计划。

9.3 在训练方面

在未来，下肢康复机器人不仅可进行SCI患者特异性康复评估，还可以完成个体化康复训练。在标准化训练的前提下，对SCI患者的发病诱因，危险因素，阶段需求，生活环境等进行模块化构建，设置多模态步行规划，综合多样化治疗方案，制定最佳训练，完成精准化康复治疗。

9.4 在日常生活方面

為了提高下肢康复机器人生活实用性，当下已经有诸多研究付诸实践，例如研究新型可穿戴轻质机器人[40]，尝试攻克材料刚度难题;研究软体机器人，提供更高的舒适度以及更大的活动范围[46];研究柔性外穿服，通过身体主动运动产生被动作用力，降低患者新陈代谢和步态运动影响等[39]，可增加机器人日常应用性，推进机器人国产化。在未来，下肢康复机器人将被引进医院-家庭-社区-社会康复程序，加速医养结合进程，为我国老龄化养疗添砖加瓦。

10 小结

近年来，非创伤性脊髓功能障碍发病率也逐年上升，发病原因多样化，引起学术界的重视，但其缺乏高质量的流行病学研究，使用下肢康复机器人进行治疗则更少见，急需大量优化的临床研究填补这一领域的空白[47]。

下肢康复机器人是正常步态模拟训练，以任务为导向，联合视、听、触互动，诱导强化正确的步行模式，实现高强度，高重复的康复训练。其为患者带来诸如增加关节活动度[48]、增长骨密度[49]等方面积极的治疗效果，减轻了家庭和社会的负担，并且逐渐朝向精准化，智能化和个体化发展，虽目前仍存在一定的局限，需要继续改进与强化，但该领域的巨大潜力有目共睹，势必引发医疗机械化的新趋势。

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（收稿日期：2020-08-17）