劉二寧，鄒任玲△， 盧旭華，王海濱

(1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品工程學院，上海 200093；2. 第二軍醫(yī)大學附屬上海長征醫(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、運動損傷等)、退化等疾病造成的脊髓結構、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，最常見的是下肢運動和感覺障礙，嚴重的脊髓損傷還會影響二便功能[1-2]。據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，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)學的發(fā)展，脊髓損傷患者的生存率大大提高，但如何恢復和重建其下肢運動能力仍是一個難題。依靠現(xiàn)有的醫(yī)療技術還無法達到重建步行能力的理想效果，但隨著下肢康復機器人逐漸應用于醫(yī)學康復領域，提高了脊髓損傷患者恢復行走能力的可能性[5]。神經重構是目前脊髓損傷后的主要恢復機制，通過反復運動訓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動、觸覺和痛覺功能，有助于促進神經恢復[7]。下肢康復機器人是具有步行訓練、減重、輔助行走的新型康復設備，在SCI患者康復中可以提供有效和安全的步態(tài)訓練，幫助患者改善和重建步行能力[8]。

根據美國脊髓損傷協(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

結合下肢康復機器人在脊髓損傷患者康復中的功能，可以將其分為兩類：一類是步態(tài)康復訓練設備，主要用于前中期康復，患者通過重復的步行訓練達到逐漸恢復下肢運動能力的效果；另一類是輔助行走型設備，對于大多數殘存能力不足以完成行走活動的脊髓損傷患者，需要借助輔助設備通過替代和補償的方式協(xié)助患者完成日常的行走活動。

2 步態(tài)康復訓練設備

步態(tài)康復訓練設備用來幫助患者進行肢體功能康復及輔助練習。傳統(tǒng)的步行訓練方法依賴于康復治療師的人力，患者的訓練強度有限，很難實現(xiàn)高強度、重復性的訓練，具有一定的局限性。利用步態(tài)訓練設備輔助步行訓練在滿足治療水平的同時，還可以正確地指導患者姿勢完成具有任務向的運動訓練，結合神經系統(tǒng)的可塑性，可以促進脊髓損傷患者步行功能的恢復[8]。

步態(tài)康復訓練設備較常見為Locomat機器(見圖1)，其采用懸吊的減重方式，在醫(yī)用跑步機上通過腿部穿戴外骨骼幫助患者進行步態(tài)訓練。在患者進行康復訓練時，Locomat通過傳感器間可以實時地監(jiān)測患者的運動狀態(tài)，從而引導患者以正確的姿勢完成步行，且自身具備評估系統(tǒng)，并具有適應人群范圍廣的特點[9-10]。目前，Locomat機器技術已經較為成熟，并結合了虛擬現(xiàn)實技術，更好地提高了患者訓練的主動性。

由大艾機器人自主研發(fā)的AIWALKER(艾康,見圖2)適用于脊髓損傷患者的早中期康復訓練，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的步態(tài)行走，能實現(xiàn)站立、原地步行和室內室外平地步行等訓練模式，具有操作簡便、加速康復以及移動場景訓練等優(yōu)勢。

瑞士Reha Technology推出的G-EO System(見圖3)是另一種應用廣泛的步態(tài)訓練設備，但其采用足底驅動的方式，減小了腿部外骨骼對患者下肢的約束，利用腳部的機械約束裝置可以模擬步行時踝關節(jié)和跖趾關節(jié)的運動姿態(tài)，提供了模擬爬樓梯和行走的兩種訓練模式。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)的膝關節(jié)支架，在減輕康復醫(yī)師體力負擔的同時，還可以更好地完成對患者膝關節(jié)的引導輔助功能[11-12]。

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

圖1Locomat機器 圖2AIWALKER(艾康)

Fig.1Locomat Fig.2AIWALKER

圖3G-EO System 圖4WALKBOT

Fig.3G-EO System Fig.4WALKBOT

3 輔助行走設備

脊髓損傷患者常伴有不同程度的下肢運動功能障礙，對于脊髓損傷嚴重的患者來說，需使用輔助型設備來代償肢體功能。在幫助患者重建行走能力的同時，一方面可以加強康復訓練，另一方面可增加患者生活范圍，提高生活質量?？纱┐魇街袡C器人是目前應用較為廣泛的一種基于人體仿生學的輔助行走設備，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]。近年來隨著腦機接口技術(BCI)的發(fā)展，基于BCI的可穿戴設備可以讓患者更加自如地主動控制機器人，完成預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器人，且已獲得了全球安全認證，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器獲取運動信號，以感知穿戴者想象的動作行為，進而使用動力裝置帶動設備幫助患者完成行走等動作[16-17]，利用充電電池驅動，工作時間可以達到3 h左右。

波士頓機器人公司推出的ReWalk(見圖6)采用體感芯片，在行走過程中可以感應患者重心的變化，當重心前移時，安置在膝、髖關機的電機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，并將背負式電池倉改為安裝在臀側部位，在降低負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中需要的幫助程度，在提供適當動力的同時可以提高患者的主動性。

新西蘭Rex Bionics的Rex產品(見圖7)是一款支持無支撐獨立行走的可穿戴外骨骼，該機器人表面使用了堅固的輕質材料，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。

國內西安交大設計的腦控下肢外骨骼康復機器人可以適用不同的路面環(huán)境，利用視覺誘導的腦機接口技術，患者可以更加自如地控制機器。在患者行走的同時可以對神經通路進行刺激，有助于患者運動神經通路的構建，幫助患者站立行走。臺灣福寶科技的FREE Walk將控制接口設計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器行走。在易用性方面，F(xiàn)REE Walk設計時納入人體工學考量，使用輕量化材質，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)是國內首款具有“觸覺”的輔助行走機器人，可以幫助患者完成坐站、行走、上下樓梯等基本運動。Fourier X1在下肢的關節(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時感知患者的變化，動態(tài)調整步態(tài)軌跡。

圖5HAL 圖6ReWalk機器人

Fig.5HAL Fig.6ReWalk

圖7Rex 圖8Fourier X1

Fig.7RexFig.8Fourier X1

4 總結與展望

脊髓損傷患者由于下肢運動功能受損，導致生活不能自理，往往會產生憂郁、焦慮等心理問題，并且會產生壓瘡、骨質疏松、肌肉萎縮、痙攣等并發(fā)癥。使用康復機器人輔助患者進行步態(tài)訓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作用[19]。目前康復機器人技術已經能夠較好地滿足患者的康復需求，但在其他方面還需繼續(xù)完善，未來的發(fā)展應該有以下幾個方向。(1)智能化：隨著腦機接口技術的完善與發(fā)展，未來康復機器人的控制系統(tǒng)必將更加靈活和精確，人機耦合程度也會增加，患者可以通過自身的意念來控制機器人完成希望的動作。未來的輔助步行設備還應具有一定的學習能力，以便適用于不同路況和不同患者的行走習慣。(2)個性化：由于SCI患者的損傷程度不同，在設計上應考慮到患者的生理和心理情況，讓患者使用起來更加舒適，這樣才能提高實用性，幫助患者重新回歸社會。在康復過程中，通過使用傳感器實時監(jiān)測患者的康復情況，以便制定更好的個性化治療方案。(3)輕型化：目前大多數康復機器人結構復雜且體積較大，從而導致成本過高、臨床應用較少。需要更多的康復機器人開始使用更加輕便的材料和尋找小型化的驅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的小型化，未來的康復機器人也會趨于輕型化、微型化。