脊髓損傷患者步行功能康復(fù)設(shè)備的研究進(jìn)展*

劉二寧，鄒任玲△， 盧旭華，王海濱

(1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品工程學(xué)院，上海 200093；2. 第二軍醫(yī)大學(xué)附屬上海長征醫(yī)院，上海 200003)

1 引 言

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是指由創(chuàng)傷(如交通事故、高空墜落、運(yùn)動損傷等)、退化等疾病造成的脊髓結(jié)構(gòu)、功能的損害。脊髓損傷的癥狀取決于受損脊髓的位置和損傷程度，最常見的是下肢運(yùn)動和感覺障礙，嚴(yán)重的脊髓損傷還會影響二便功能[1-2]。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球每年約50萬人患有SCI，且發(fā)病率在逐年升高[3-4]。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，脊髓損傷患者的生存率大大提高，但如何恢復(fù)和重建其下肢運(yùn)動能力仍是一個難題。依靠現(xiàn)有的醫(yī)療技術(shù)還無法達(dá)到重建步行能力的理想效果，但隨著下肢康復(fù)機(jī)器人逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域，提高了脊髓損傷患者恢復(fù)行走能力的可能性[5]。神經(jīng)重構(gòu)是目前脊髓損傷后的主要恢復(fù)機(jī)制，通過反復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練形成的條件刺激有利于脊髓可塑性的發(fā)生[6]。脊髓損傷患者步行功能的康復(fù)可以通過受影響肢體的使用，有效地改善脊髓損傷患者的下肢運(yùn)動、觸覺和痛覺功能，有助于促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)[7]。下肢康復(fù)機(jī)器人是具有步行訓(xùn)練、減重、輔助行走的新型康復(fù)設(shè)備，在SCI患者康復(fù)中可以提供有效和安全的步態(tài)訓(xùn)練，幫助患者改善和重建步行能力[8]。

根據(jù)美國脊髓損傷協(xié)會(ASIA)分類法，脊髓損傷分為五個等級，見表1。

表1 ASIA脊髓損傷分類

結(jié)合下肢康復(fù)機(jī)器人在脊髓損傷患者康復(fù)中的功能，可以將其分為兩類：一類是步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，主要用于前中期康復(fù)，患者通過重復(fù)的步行訓(xùn)練達(dá)到逐漸恢復(fù)下肢運(yùn)動能力的效果；另一類是輔助行走型設(shè)備，對于大多數(shù)殘存能力不足以完成行走活動的脊髓損傷患者，需要借助輔助設(shè)備通過替代和補(bǔ)償?shù)姆绞絽f(xié)助患者完成日常的行走活動。

2 步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備用來幫助患者進(jìn)行肢體功能康復(fù)及輔助練習(xí)。傳統(tǒng)的步行訓(xùn)練方法依賴于康復(fù)治療師的人力，患者的訓(xùn)練強(qiáng)度有限，很難實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、重復(fù)性的訓(xùn)練，具有一定的局限性。利用步態(tài)訓(xùn)練設(shè)備輔助步行訓(xùn)練在滿足治療水平的同時，還可以正確地指導(dǎo)患者姿勢完成具有任務(wù)向的運(yùn)動訓(xùn)練，結(jié)合神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，可以促進(jìn)脊髓損傷患者步行功能的恢復(fù)[8]。

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備較常見為Locomat機(jī)器(見圖1)，其采用懸吊的減重方式，在醫(yī)用跑步機(jī)上通過腿部穿戴外骨骼幫助患者進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練。在患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時，Locomat通過傳感器間可以實(shí)時地監(jiān)測患者的運(yùn)動狀態(tài)，從而引導(dǎo)患者以正確的姿勢完成步行，且自身具備評估系統(tǒng)，并具有適應(yīng)人群范圍廣的特點(diǎn)[9-10]。目前，Locomat機(jī)器技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，更好地提高了患者訓(xùn)練的主動性。

由大艾機(jī)器人自主研發(fā)的AIWALKER(艾康,見圖2)適用于脊髓損傷患者的早中期康復(fù)訓(xùn)練，采用可移動式支架支撐患者脊柱、穩(wěn)定骨盆，利用外骨骼裝置可以幫助患者以自然真實(shí)的步態(tài)行走，能實(shí)現(xiàn)站立、原地步行和室內(nèi)室外平地步行等訓(xùn)練模式，具有操作簡便、加速康復(fù)以及移動場景訓(xùn)練等優(yōu)勢。

瑞士Reha Technology推出的G-EO System(見圖3)是另一種應(yīng)用廣泛的步態(tài)訓(xùn)練設(shè)備，但其采用足底驅(qū)動的方式，減小了腿部外骨骼對患者下肢的約束，利用腳部的機(jī)械約束裝置可以模擬步行時踝關(guān)節(jié)和跖趾關(guān)節(jié)的運(yùn)動姿態(tài)，提供了模擬爬樓梯和行走的兩種訓(xùn)練模式。G-EO System支持步態(tài)模式的訂制，可為患者提供個性化治療，其針對SCI患者特別開發(fā)的膝關(guān)節(jié)支架，在減輕康復(fù)醫(yī)師體力負(fù)擔(dān)的同時，還可以更好地完成對患者膝關(guān)節(jié)的引導(dǎo)輔助功能[11-12]。

韓國保生科技公司設(shè)計(jì)的WalkBot步態(tài)康復(fù)機(jī)器人(見圖4)，除了髖、膝關(guān)節(jié)外，在踝關(guān)節(jié)采用驅(qū)動裝置，可以幫助患者完成更加完整的步態(tài)訓(xùn)練、改善肌肉力量和關(guān)節(jié)活動度。WalkBot提供模擬場景訓(xùn)練，在訓(xùn)練的同時對患者的步態(tài)、肌力和肌張力進(jìn)行評估和生物反饋訓(xùn)練，集診斷、測量和治療為一體，并推出了兒童專用康復(fù)機(jī)器人“Walkbot-K”[13]。

圖1Locomat機(jī)器 圖2AIWALKER(艾康)

Fig.1Locomat Fig.2AIWALKER

圖3G-EO System 圖4WALKBOT

Fig.3G-EO System Fig.4WALKBOT

3 輔助行走設(shè)備

脊髓損傷患者常伴有不同程度的下肢運(yùn)動功能障礙，對于脊髓損傷嚴(yán)重的患者來說，需使用輔助型設(shè)備來代償肢體功能。在幫助患者重建行走能力的同時，一方面可以加強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練，另一方面可增加患者生活范圍，提高生活質(zhì)量?？纱┐魇街袡C(jī)器人是目前應(yīng)用較為廣泛的一種基于人體仿生學(xué)的輔助行走設(shè)備，通過平衡支撐和動力外骨骼幫助患者完成日常行走活動[14]。近年來隨著腦機(jī)接口技術(shù)(BCI)的發(fā)展，基于BCI的可穿戴設(shè)備可以讓患者更加自如地主動控制機(jī)器人，完成預(yù)期的動作而不是被動地拉伸肌肉[15]，幫助患者完成日常生活中的基本功能。

日本筑波大學(xué)研制的HAL(混合輔助肢體，見圖5)是目前發(fā)展最成功的民用助行機(jī)器人，且已獲得了全球安全認(rèn)證，可以幫助偏癱患者和老年人重新獲得行走能力。HAL通過貼附于皮膚的感應(yīng)器獲取運(yùn)動信號，以感知穿戴者想象的動作行為，進(jìn)而使用動力裝置帶動設(shè)備幫助患者完成行走等動作[16-17]，利用充電電池驅(qū)動，工作時間可以達(dá)到3 h左右。

波士頓機(jī)器人公司推出的ReWalk(見圖6)采用體感芯片，在行走過程中可以感應(yīng)患者重心的變化，當(dāng)重心前移時，安置在膝、髖關(guān)機(jī)的電機(jī)帶動裝置模仿自然的行走步態(tài)，完成向前邁步的動作[18]。目前，ReWalk 6.0使用了更加輕盈的塑料材質(zhì)，并將背負(fù)式電池倉改為安裝在臀側(cè)部位，在降低負(fù)重感的同時增加了穿戴的舒適性。

美國Ekso Bionics的Ekso GT選用鋁合金和鈦合金材料，總重量約23 kg，其利用陀螺儀、軌跡傳感器和扭矩傳感器來感知使用者的受傷程度，以估算出使用者在行走當(dāng)中需要的幫助程度，在提供適當(dāng)動力的同時可以提高患者的主動性。

新西蘭Rex Bionics的Rex產(chǎn)品(見圖7)是一款支持無支撐獨(dú)立行走的可穿戴外骨骼，該機(jī)器人表面使用了堅(jiān)固的輕質(zhì)材料，利用尼龍塔扣及腰間的腰帶將使用者的身體與外骨骼固定在一起，使用者通過腰間的兩個操叢桿完成姿態(tài)控制。

國內(nèi)西安交大設(shè)計(jì)的腦控下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人可以適用不同的路面環(huán)境，利用視覺誘導(dǎo)的腦機(jī)接口技術(shù)，患者可以更加自如地控制機(jī)器。在患者行走的同時可以對神經(jīng)通路進(jìn)行刺激，有助于患者運(yùn)動神經(jīng)通路的構(gòu)建，幫助患者站立行走。臺灣福寶科技的FREE Walk將控制接口設(shè)計(jì)在用于平衡支撐的拐杖上，使用者按下按鈕通過無線傳輸方式傳遞指令讓機(jī)器行走。在易用性方面，F(xiàn)REE Walk設(shè)計(jì)時納入人體工學(xué)考量，使用輕量化材質(zhì)，患者在使用時可以自行完成穿脫并有效地避免使用者在穿戴過程中受到傷害。傅里葉智能科技研發(fā)的“Fourier X1”(見圖8)是國內(nèi)首款具有“觸覺”的輔助行走機(jī)器人，可以幫助患者完成坐站、行走、上下樓梯等基本運(yùn)動。Fourier X1在下肢的關(guān)節(jié)以及足底安裝了傳感器以感知穿戴者的肌電、肌肉力量、姿勢變化等信號，在行走過程中可以實(shí)時感知患者的變化，動態(tài)調(diào)整步態(tài)軌跡。

圖5HAL 圖6ReWalk機(jī)器人

Fig.5HAL Fig.6ReWalk

圖7Rex 圖8Fourier X1

Fig.7RexFig.8Fourier X1

4 總結(jié)與展望

脊髓損傷患者由于下肢運(yùn)動功能受損，導(dǎo)致生活不能自理，往往會產(chǎn)生憂郁、焦慮等心理問題，并且會產(chǎn)生壓瘡、骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮、痙攣等并發(fā)癥。使用康復(fù)機(jī)器人輔助患者進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練或行走可以有效地避免此類并發(fā)癥，并且對患者的心理有一定的開導(dǎo)作用[19]。目前康復(fù)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)能夠較好地滿足患者的康復(fù)需求，但在其他方面還需繼續(xù)完善，未來的發(fā)展應(yīng)該有以下幾個方向。(1)智能化：隨著腦機(jī)接口技術(shù)的完善與發(fā)展，未來康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)必將更加靈活和精確，人機(jī)耦合程度也會增加，患者可以通過自身的意念來控制機(jī)器人完成希望的動作。未來的輔助步行設(shè)備還應(yīng)具有一定的學(xué)習(xí)能力，以便適用于不同路況和不同患者的行走習(xí)慣。(2)個性化：由于SCI患者的損傷程度不同，在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮到患者的生理和心理情況，讓患者使用起來更加舒適，這樣才能提高實(shí)用性，幫助患者重新回歸社會。在康復(fù)過程中，通過使用傳感器實(shí)時監(jiān)測患者的康復(fù)情況，以便制定更好的個性化治療方案。(3)輕型化：目前大多數(shù)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，從而導(dǎo)致成本過高、臨床應(yīng)用較少。需要更多的康復(fù)機(jī)器人開始使用更加輕便的材料和尋找小型化的驅(qū)動方式以及高性能能源，在減少重量的同時降低能耗。借助于材料和傳感及技術(shù)的小型化，未來的康復(fù)機(jī)器人也會趨于輕型化、微型化。