外骨骼机器人在脊髓损伤后康复训练中的应用研究*

孟予斐 张军卫，2** 洪毅，2

（1.首都医科大学康复医学院，北京 100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院脊柱脊髓外科，北京 100068）

脊髓损伤（spinal cord injury,SCI）是一种严重致残性损害。它不仅导致肢体功能障碍，还对膀胱、肠道、呼吸和心血管功能造成损伤，给患者带来身心伤害，同时给家庭和社会带来沉重的经济负担[1]。改善或代偿躯体功能是脊髓损伤后康复训练的重点，提高生活独立性和质量成为患者、家属和医务人员的共同目标。外骨骼机器人是新兴治疗技术，主要用于康复训练和辅助日常生活[2]。外骨骼机器人在脊髓损伤后康复训练中发展迅速，其优点不可替代，可深入研究空间广阔。本文根据作用部位不同，分别介绍上肢、下肢和躯干训练机器人在脊髓损伤后的应用，并对目前外骨骼机器人应用的局限性及发展趋势进行综述。

1 上肢训练机器人

颈脊髓损伤造成四肢瘫，上肢功能受损将严重影响患者独立完成日常生活活动（activities of daily living,ADL）的能力。应用上肢训练机器人辅助训练有助于功能恢复。

Armeo 系列（Hocoma 公司，瑞士）外骨骼机器人包括ArmeoPower、ArmeoSpring 和ArmeoSenso，既能为不同康复阶段的患者提供相应的康复训练，又可以进行运动能力评估，追踪患者康复进展。此外，与虚拟现实游戏的结合提高了患者参与康复训练的依从性和主动性。Sørensen 和Månum[3]报道4 例脊髓损伤患者在伤后5个月内接受ArmeoSpring上肢的康复训练，除1 例患者左上肢运动功能未见明显改善外，其余3例患者的双上肢运动功能均有所恢复，ADL能力得到提高。此外，ArmeoSpring对颈脊髓损伤患者上肢活动的评估具有良好的临床可行性，评估所得的参数能监测患者运动功能的变化，准确反映功能改善的进展[4]。应用ArmeoPower 进行为期5 周的训练后，慢性颈脊髓损伤患者肘关节的屈伸力量增强，脊髓损伤独立性评估（第三版）（spinal cord independence measure,SCIM-Ⅲ）中洗澡、穿衣和洗漱的得分提高，说明康复训练对于提高患者生活独立性的积极意义[5]。

InMotion系列（Bionik公司，美国、加拿大）外骨骼机器人可以在康复训练中根据运动功能损伤的差异，提供不同程度的辅助，并及时反馈患者的运动情况。Cortes 等[6]应用InMotion 3.0 Wrist 对慢性脊髓损伤患者的右侧腕关节进行6周训练后，关节运动的目的性和流畅性得到显著改善，但相关肌力、痉挛程度和疼痛的变化未能观察到。

MAHI EXO-Ⅱ是美国莱斯大学研发的外骨骼机器人，它可以协助患者进行4 个自由度的动作，包括肘关节屈/伸、前臂旋前/旋后、腕关节屈/伸和尺偏/桡偏运动[7]。这款机器人设有被动活动、触发活动和抗阻活动3 种训练模式。Yozbatiran 等[8]报道1 例颈脊髓损伤患者使用MAHI EXO-Ⅱ进行4 周功能锻炼后，双手力量均有提高，但功能改善仅见左侧。莱斯大学团队基于这款机器人设计出新型“按需辅助（assist-as-needed,AAN）”控制模式[9]，在康复训练过程中根据患者的运动表现及时、自动地调整所提供的助力或阻力，提高每个关节的康复训练质量，但与使用AAN控制模式相关的功能改善未见报道。

机械手套的出现极大促进了四肢瘫患者手功能康复。SEM 手套（soft extra muscle golve，Bioservo 公司，瑞典）适用于慢性颈脊髓损伤患者居家的手功能康复，有利于改善手指的握力和捏力，提高操作物品的技能，且训练效果可保持至少12 周[10]。美国哈佛大学团队设计研发的软布料机械手套（fabric-based robotic glove）具有材料柔软轻便、发动机小巧轻盈的优点，能根据不同患者的手部大小调整手套尺寸。上肢受累的患者佩戴此机械手套时能够稳稳地抓握物体，提高ADL 的参与程度[11]。配合功能性电刺激（functional electrical stimulation，FES）工作的训练手套FES Hand Glove 200（Robotix 公司，美国）能够维持慢性颈脊髓损伤患者的手部关节活动范围和肌力，提高功能独立性，且使用FES 手套是安全的，未出现与之相关的皮肤破损、畸形或疼痛[12]。

2 下肢训练机器人

四肢瘫和截瘫均影响患者的下肢运动功能和步行能力，患者在移动过程中需要不同程度的辅助。下肢训练机器人的临床应用和疗效研究较为广泛，使患者恢复运动功能的作用可能与其提供反复、密集的步行动作训练有关，重复刺激的输入使大脑运动皮质兴奋性正常化[13]，皮层重组扩张[14]以及促进突触再生[15]。

应用广泛的下肢训练机器人有Locomat、Ekso、HAL、ReWalk 和Indego。Locomat 为配合悬吊减重带和运动跑台的训练系统，其余均为用于平地行走的外骨骼机器人。已有文献报道对于下肢训练机器人的作用效果多集中在肌力和步行能力的改变上。

Locomat（Hocoma 公司，瑞士）外骨骼机器人能增加踝关节活动范围，减弱踝周肌群异常的共同激活模式，增强肌力，使踝关节运动更加流畅[16,17]。Locomat可使不完全性脊髓损伤患者小腿三头肌的羽状角度增加，肌肉收缩能力提高[18]。Locomat 适用范围广泛，对于急性期和慢性期的不同脊髓损伤程度患者的下肢运动功能均有积极作用，表现在步行参数增加（如步速和步长）、下肢肌力和耐力增强、平衡功能提高、行走过程中重心转移平稳、步行趋于稳定和独立[19-22]。此外，Locomat可用于髋关节和膝关节的位置觉评估，与徒手评估相比能得到更加标准和量化的结果[23]，以助于精确评价康复训练效果。

Ekso（Ekso Bionics 公司，美国）外骨骼机器人需配合手杖使用，以帮助患者维持站立平衡和进行重心转移。Ekso 能根据患者的不同伤情提供相应辅助，并通过康复训练过程中的实时监测和反馈，调节双下肢运动，减少步态代偿模式。Ekso 辅助步行训练能帮助脊髓损伤患者增加步长，提高步行耐力和稳定性，并减轻下肢痉挛[24]，对提高步行独立性具有积极意义。Chang 等[25]应用Ekso 配合减重步行训练（body weight support treadmill training,BWSTT）成功帮助1 例C7 完全性损伤患者实现了站立和行走，经过3 周的训练，该患者的步速和步行距离增加，并可耐受整个训练过程。

HAL（Cyberdyne 公司，日本）外骨骼机器人能读取患者试图活动下肢时在肌肉表面产生的微小肌电生物信号，并相应补偿下肢肌肉力量，帮助患者完成坐站变换和行走。不完全脊髓损伤患者在损伤后2周内介入HAL 辅助步行训练后，下肢关节活动度和肌力改善，平衡能力和重心转移能力提高，步行更具稳定性，步态趋于正常化[26]。慢性期介入HAL训练可使腓肠肌的肌张力降至正常水平[27]。

ReWalk（ReWalk Robotics公司，以色列）和Indego（Parker Hannifin公司，美国）两款外骨骼机器人的作用与上述几种机器人相似。脊髓损伤患者使用ReWalk或Indego能提高步行速度[28,29]，相比借助膝踝足矫形器（knee ankle foot orthosis,KAFO）移动更加省力[30]。

下肢训练机器人技术发展迅速，除上述5款较早投入常规使用外，各国都致力于研发下肢训练机器人，并不断更新技术。中国生产了A3步行机器人训练系统（广州一康医疗设备实业有限公司）[31]，用于平地行走的AIDER 外骨骼机械腿（成都布法罗公司）[32]。日本的Honda 步行辅助设备[33]和韩国的Hyundai 外骨骼机器人[34]对急、慢性期脊髓损伤患者均有良好的康复效果。在重量方面，SuitX Phoenix 外骨骼机器人重约15 kg[35]，新型轻量化穿戴式下肢外骨骼机器人的重量仅约10 kg[36]，一定程度上减轻了使用负担。在设计方面，配合手杖使用的下肢训练机器人将控制外骨骼工作的按键设计在手杖的手柄处，患者能在启动下肢训练机器人的同时操纵手杖[37]，避免了两者不协调导致的失平衡。MoreGait外骨骼机器人适用于家庭康复训练[38]，临床试验已证实其安全性和有效性，突破了使用外骨骼机器人进行康复训练的场地限制。

除运动功能受损外，脊髓损伤还会导致疼痛、膀胱直肠功能障碍、心肺功能下降和骨质流失等继发性损害。下肢训练机器人辅助步行训练对于身体功能的恢复均有不同程度的影响。尽管机器人辅助康复训练不会给患者造成额外的疼痛或不适[39]，但对损伤后疼痛的改善无明显作用[40]。康复训练对膀胱和肠道功能的影响不确定：有学者指出，机器人辅助步行时，患者的腹部肌群、盆底肌群和膀胱括约肌等联带肌肉得到充分收缩和放松，肠蠕动增强，肠排空能力加强，对于膀胱和直肠功能的改善具有显著作用[41]；也有学者认为训练后两者功能无明显变化[39]。文献报道外骨骼机器人辅助步行训练的强度与中等强度的活动一致[42-44]，所产生的体力负荷可刺激患者的心肺活动，提高摄氧量和心率储备[34,45]。慢性脊髓损伤患者在进行机器人辅助步行训练后，体脂含量降低，胫骨密度增加[45,46]，对于身体代谢功能产生有利影响。

3 躯干训练机器人

脊髓损伤后躯干控制能力训练的机器人的相关报道很少。美国哥伦比亚大学和哈佛大学联合报道了TruST 躯干训练系统（trunk-support-trainer）[47]，对5例慢性脊髓损伤患者进行康复训练并测量姿势稳定性极限和坐姿活动空间范围，发现两者均有提高，说明TruST 躯干训练系统可协助患者控制躯干，作为坐位训练的干预措施之一。

4 外骨骼机器人应用的局限性

一方面，与轮椅、下肢支具等常规移动工具相比，外骨骼机器人更加笨重，穿脱不便，限制其广泛使用。研究发现，脊髓损伤患者使用ReWalk 的安全性和满意度均不如KAFO[30]。另一方面，目前的临床研究尚无法提供强有力的证据证明外骨骼机器人的作用。临床试验的局限性包括：①所纳入的样本量较小，且多为临床观察。②尚无统一的外骨骼机器人训练介入时间，而理论上不同介入时间对试验结果的影响不可忽视。文献显示，早期介入获得的功能改善优于晚期介入[48,49]，一项meta 分析说明经过下肢训练机器人辅助训练后，损伤时间小于6个月的患者在步行距离、下肢力量和功能独立性方面均有显著改善，而损伤时间超过1年的患者的功能改善体现在步速和平衡能力上[50]。Baunsgaard 等[51]的研究发现，经过为期8 周的Ekso 步行训练后，损伤小于1 年的患者的下肢肌力、步行速度和平衡能力有所改善，起立走测试（timed "up &go" test，TUGT）得分提高；而损伤时间大于1年的患者仅出现TUGT得分和平衡能力变化。③现有研究中患者开始进行机器人辅助康复训练的基线功能水平参差不齐。受伤程度轻、时间短的患者运动功能保留较多，训练介入前的肌力、平衡功能和日常活动能力均较好，在机器人辅助康复训练后更容易获得明显的训练效果[52]，进而对机器人本身疗效的研究产生影响。有部分功能保留的颈髓损伤患者在使用ArmeoSpring进行上肢功能训练后，上肢感觉显著恢复，而无功能保留的颈髓损伤患者未出现功能改善[53]。④缺乏统一的评价标准对外骨骼机器人的疗效进行评估。

5 外骨骼机器人的发展趋势

外骨骼机器人多为刚性材料制作，运动轨迹控制精确，但缺点是笨重、刻板和机械化。因此，轻便灵活和个性化是外骨骼机器人的发展方向。前文提及的软布料机械手套和国内外两款下肢机器人均表现出轻便灵活的特点。在个性化康复训练方面，通过采集和识别患者的生理信号，能够有效实现人机交互和协同控制[2]。脑机交互（brain-machine interface,BMI）系统[54-56]通过采集和识别与运功相关的神经信号，转化为驱动外骨骼机器人的指令，实现意识与步态的协调，并在活动过程中根据意识不断调整运动速度和轨迹，实现康复训练的个性化。英国伯明翰大学设计了一款基于用户意愿的自适性控制模型（volition-adaptive control model）[57]，与BMI类似，此控制模型能读取患者的运动意图，并转化为驱动外骨骼机器人的指令，根据患者的运动表现提供适应性辅助，而并非将设定好的运动训练轨迹强加于患者。但将运动意图正确解码为控制命令需要进一步的研究。

在应用方面，脊髓损伤康复训练机器人呈现出从医疗中心向家庭、社区发展的趋势。机器人步行训练能使患者步行速度在0.2～0.5 m/s[28,29]，基本满足家庭和社区步行速度的需要[58]。机器人辅助步行的研究关注点已转移到便捷性、安全性和患者满意度上，试图发掘外骨骼机器人帮助脊髓损伤患者重新参与社会活动的潜能。

6 小结

首先，外骨骼机器人作为脊髓损伤的新兴治疗技术有其不可替代的优点，同时具有很大深入研究的空间。外骨骼机器人可提供更精确的评估和更接近正常运动模式的功能锻炼，能完成需多名治疗师合作才能完成的训练任务。其次，研究证实外骨骼机器人的训练安全可行，尚未在临床试验中发现因机器人训练导致的严重不良反应。但由于受试者、介入时间和训练方案等多重因素的制约，目前尚无有力的循证医学证据证明机器人在躯体功能改善中的确切作用。外骨骼机器人可达到常规康复手段的训练效果，且其独特的自身优势能给患者和治疗师提供更好的帮助，因此，可以作为训练方式的备选之一。同时，现有的研究结果为外骨骼机器人的纵深发展提供了坚实的研究基础，该技术发展空间广阔。