老年骨质疏松症下肢可穿戴外骨骼研究进展

翁嘉敏 张海甄 梁欣儿 高梓博 刘凡露 唐树杰

随着世界人口老龄化日益严重，骨质疏松症已成为严重影响老年人健康的慢性疾患。根据流行病学调查，2010年，我国骨质疏松性骨折达233万，医疗支出649亿元；2050年，预计我国骨质疏松性骨折人数将达599万，医疗支出将达1 745亿元[1]。骨质疏松症已成为世界面临的重要公共卫生问题[2]，对当今康复医学领域提出极大挑战。

下肢可穿戴外骨骼是一种新型的人体运动辅助机器人技术，可用于预防与治疗老年疾患所致行动不良等并发症。针对老年骨质疏松症，外骨骼技术从仿生角度出发，协助患者步行，督促患者日常运动和功能训练，最大程度实现防跌功能[3-5]。下肢可穿戴外骨骼主要包括刚性结构与柔性结构两类。

本文对国内外骨质疏松下肢外骨骼系统的研究现状进行综述。

1 刚性下肢可穿戴外骨骼

刚性结构外骨骼大多采用液压或电机驱动，电机驱动控制系统精确度较高，但液压驱动则响应速度快，是目前多数外骨骼机器人所选择的驱动方式。刚性结构下肢可穿戴外骨骼通过绑带等固定装置与使用者连接。

2015年，以色列ReWalk Robotics公司研发的ReWalk 6.0外骨骼[6]，重23.3 kg，可通过遥控器判断使用者行动意图，利用重心变化控制活动，并利用电脑系统及动态感应器对外骨骼做出调整。日本Cyberdyne公司研发的HAL外骨骼[7]2013年获得全球安全认证，2018年获得美国FDA批准用于医疗康复领域。ReWalk与HAL的重量与续航能力几乎一致，但功能体现不同。HAL通过采集肌肉电信号以判断使用者意图，或通过系统记忆助力完成运动需求，因此能够更好地修饰步态，重建肌肉运动活性，兼备主动与被动模式，减少对设备的依赖性；Rewalk则需要拐杖辅助，其智能双拐固定于肘部，设置手持柄和固定带，可以拿取东西，或者辅助上下楼梯。因为是设备带动人体行动，所以拐杖可以保持上半身平衡，令使用者容易适应设备变化，对于体型高大的使用者稳定性更强。此外，美国Ekso Bionics公司研发的Ekso GT[8]和2019年迭代的Ekso NR外骨骼[9]，为患者设置自然与个体化步态，提供更多的分析工具以实时监控性能和调整治疗方案。然而，Ekso Bionics、ReWalk Robotics与Cyberdyne三家公司主要面向脊髓损伤、脑瘫等重症患者，侧重康复治疗而非助行，不太适合骨质疏松个体使用。

2016年，由美国Parker Hannifin公司研发的Indego外骨骼[10]获美国FDA批准上市，重12 kg，续航1 h，结合了功能性电刺激疗法，能对肌肉施加轻微电脉冲，使其收缩和放松从而帮助肌肉康复。该设备自带蓝牙功能，便于患者或临床医生调节设备，提供步长、步速、步态对称性等量化信息的阶段性报告。同年，美国SuitX公司推出Phoenix[11]，在续航方面较Indego更具优势，可维持4～8 h，重12.5 kg。其模块化设计方便快速穿脱和组装，可独立或组合使用，老年骨质疏松症患者可根据个体症状的不同，选择不同的模块组合。这两类外骨骼均轻便，易于调节，适合家中或社区骨质疏松患者使用；其中Indego使用者可单手固定绑带和控制系统，可自行穿上、取下并调整系统。

2018年，北京大艾机器人科技有限公司推出AiLegs外骨骼系统[12]，重约20 kg，续航8 h，主要针对中后期康复阶段患者的训练。由于尺寸范围大且容易调节，能提供不同病种不同病程的步态训练，适合脊髓损伤、中风、瘫痪、骨关节术后、肌无力等不同使用者的个性化运动需求，并适于个人居家使用。2019年，上海傅利叶智能科技有限公司发布的Fourier X2，为ExoMotusTM[13]下肢康复机器人系列产品，重18 kg，是Fourier X1的升级迭代版，多传感融合技术能够更智能地分析运动意图，再根据外部力学环境动态调整动力输出，实现不同的运动模式。基于其核心的力反馈控制算法，将外骨骼设备与使用者进行交互，步态轨迹也可以依据患者的用力大小、外部动态环境的变化实时调整，可以应用于辅助行走、康复训练、运动功能强化等多个领域。同国外相比，国内刚性外骨骼种类少，但研发考虑的受众群较广，适用病种多，适应性强，大多可行个性化调节。

整体来讲，刚性外骨骼优势在于其稳定性和支撑力，可满足重症患者的运动需求，并可供中风后遗症、瘫痪病人使用。然而，这类产品多数重量较大，一般用于军事、工业或康复领域的重症患者。然而，刚性外骨骼使用过程中不易人机对准，可产生额外扭矩而对人体造成伤害，因此不适于非医疗机构使用；刚性外骨骼驱动装置重量偏大，可增加代谢消耗[14]。

2 柔性下肢可穿戴外骨骼

近年，世界各国对柔性外骨骼的研发日渐重视。“柔性”包括柔性结构材料、柔性驱动方式或柔性运动模式，二者或三者兼容。目前，柔性下肢可穿戴外骨骼的主要驱动方式包括绳-滑轮驱动(电机与线驱结合)和气动驱动(气动肌肉与气泵结合)。这类驱动使外骨骼在行动时肢体远端惯性极低，使用者能够灵活地控制方向与节奏，降低代谢成本[15]。

2013至2015年，美国哈佛大学研发柔性助力服Soft Exosuit[16]，是柔性下肢可穿戴外骨骼研究的里程碑。第一代以气动驱动为主，重10.6 kg，采用McKibben型气动肌肉材料，通过气动肌肉辅助产生关节扭矩，产生与肌肉及肌腱同方向的平行助力；第二代重12.15 kg，选用柔性纺织材料，采用电机与套索结合的传动方式，没有主动驱动时也能通过弹性纺织带对行走产生辅助力矩。第三代[17]重10.1 kg，采用柔性纺织带将外骨骼与使用者连接，使用绳-滑轮驱动，利用下肢关节协同增强效应，提高了设备的舒适度和助力的力量传递。三代优化的侧重点不同，第三代产品能够帮助使用者抬起脚行动时，拉紧线缆辅助抬腿动作，有效改善使用者“足下垂”。此外，该实验室与ReWalk Robotics公司合作，在2017年推出柔性下肢外骨骼“Restore Exo-suit”[18]，可用于偏瘫人群，助力时间延长，与之前的系统相比，可以更高效地完成行动时的辅助运动。

柔性外骨骼研发多源自于军工科技，其设计较民用医疗更加先进。2015年澳大利亚国防部研制的柔性可穿戴外骨骼OX[19]以及2016年Warrior Web和SRI.International共同研制的Superflex[20]外骨骼系统，都源自军工科技。OX仅重3 kg，利用鲍登线的抗弯特性，将人体66%的负重卸载至地面。Superflex重4.8 kg，配备有惯性传感器，可承载113 kg。两者相比Soft Exosuit更加轻便灵活，耗能更低，便于拆卸与携带，载荷能力强大。但在辅助功能方面，Soft Exosuit对于步态的修饰更全面且适合病情稍重患者。

由于轻量化设计及柔性选材，柔性外骨骼普遍支撑力不佳，而瑞士苏黎世联邦理工学院2015年研发的全柔性的下肢外骨骼机器人MAXX，设计被动储能元件，协同主动助力，在不同运动状态下实现对穿戴者自身重量的支撑[21]。MyoSwiss公司在2017年发布的“MyoSuit”下肢柔性外骨骼机器人[22-23]，轻量化且兼具拉力传感器与惯性传感器，包括电源在内重4.56 kg，能够利用关节协同增强效应，提高行动时连续性的助力功能。此外，在轻量化及支撑力的基础上，柔性外骨骼模块化设计也是较出色的设计优势，能够实现关节选择性助力。例如2018年欧盟柔性仿生外骨骼“Xo-Soft”[24]研究计划研制的样机，重约2.68 kg，可选择性穿戴三个主关节部件，分区域实现绳驱动助力，兼具重量轻及便于携带的特点。

亚洲国家在柔性外骨骼研发方面也做了大量工作。2017年韩国三星研发的S-Assist L-type[25]外骨骼，设备重量在8 kg以下，续航时长2～3 h，使用新型无扣支撑框架，兼顾刚性与柔性的结构优势，提供支撑的同时将辅助扭矩传递到髋、膝关节，与前述柔性外骨骼相比，S-Assist L-type在支撑体质量方面优势突出，并且结构灵活，具有隐蔽性。我国在柔性外骨骼研究方面起步较晚，部分产品也已进入商用阶段，如上海司羿智能科技有限公司的单侧助力下肢外骨骼系统“EasyWalk X1”[26]，以及深圳市肯綮科技有限公司的双侧助力下肢外骨骼系统“骑士Knight”[27]，这些柔性下肢外骨骼重量大多控制在10 kg以内，具备轻量便携的优势。此外，哈尔滨工业大学的基于绳-滑轮驱动的下肢外骨骼系统[28]、东南大学的双向鲍登线驱动外骨骼机器人系统[29]、单侧助力外骨骼系统[30]与气动人工肌肉驱动可穿戴下肢外骨骼系统[31]，以及华中科技大学的气动下肢外骨骼系统[32]，均处于实验室研究阶段。

与刚性外骨骼相比，柔性下肢外骨骼具有重量轻、体积小、结构适应性好、隐蔽性强的优点，可以更好地辅助髋、膝等关节伸展和屈曲，适合年老体弱者在社区或非医疗机构使用。但是，这类外骨骼的支撑力与控制力不及刚性外骨骼，不适用于负重作业或失去大部分行走能力的患者，在运动过程中会耗费较多体能[33]。

3 总结与展望

外骨骼技术已经得到一定发展，并逐渐用于骨质疏松的预防与治疗领域。但是，目前可供老年骨质疏松患者选择的外骨骼款式较少，而且价格昂贵、体积巨大，不适合社区与家庭使用[34]。今后，在老年骨质疏松外骨骼的研究方面应当综合刚性与柔性外骨骼的优势，选材兼顾舒适度和体质量承载能力，驱动装置与传感器力求微型化，尽可能减轻产品重量，提高隐蔽性、便携性与可操作性，同时降低产品价格，以满足普通老年骨质疏松患者的需求。