外骨骼下肢机器人训练对截瘫患者步行功能恢复的影响

邓小倩，王杨，熊愿，韩俊奇 ，刘四文

脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)是严重的致残性疾病，其中胸腰段脊髓损伤所致截瘫常表现为损伤平面以下运动及感觉障碍[1]。此病患者因此导致的运动功能障碍特别是步行障碍不仅使患者无法正常进行站立、行走，同时也严重地影响其生存质量和平等参与社会活动的能力[2]。对于完全性截瘫患者即使不能实现功能性步行，借助以复式截瘫步行矫形器( reciprocating gait orthosis, RGO)为代表的步行矫形器进行站立、行走训练也可以对患者在身体、精神、社会生活方面产生积极的影响[3-4]。虽然RGO有一定的助动功能，但在步行时，需要大量的上肢肌肉力量，行走时步态僵硬，能量消耗较大[5]。据报道，RGO成人弃用率为46%～54%，骨髓鞘膨出患儿弃用率为61%～90%[6]。

随着科技的进步，外骨骼技术逐渐应用于脊髓损伤康复，其旨在提高截瘫患者的步行能力，甚至为完全性截瘫患者实现功能性步行带来新希望[7]。近年来，国外已有ReWalk、Ekso、Indego等多款外骨骼下肢机器人用于截瘫患者的临床报道。但进口外骨骼下肢机器人属于新型辅具且价格昂贵，在国外普及程度不高，国内更较少有临床应用报道。本研究旨在对完全性截瘫患者应用外骨骼下肢机器人(以下简称外骨骼)与临床上常规使用的RGO行走时的步态特征进行对比、分析，以明确外骨骼的临床性能及其应用前景。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取 2018年 6 月～2020 年 12 月在我院收治的30例截瘫患者作为研究对象，其中男23例，女7例。平均年龄( 38.5±9.5) 岁；平均病程(8.8±2.4)个月。纳入标准：影像学(CT/MRI)和临床检查确诊为脊髓损伤，ASIA诊断为A型的截瘫患者，神经损伤平面在T1～L1；受试前一月病情稳定，无明显功能进展或退步；经临床检查及影像学检查，脊柱骨折内固定稳定；病程5～12个月；下肢无明显畸形和挛缩；可主动配合步行及站立训练；排除标准：双上肢肌力及关节活动度明显受限；双下肢肌张力显著增高，改良Ashworth分级MAS>II级；严重心肺功能受限及其他严重内科疾病；严重并发症：如严重压疮、泌尿感染、静脉血栓需卧床治疗；研究期间同时接受其他相关研究者；不服从研究协议，自行选择入组者。

1.2 方法 受试者均在入组前进行规范的RGO及外骨骼的调试及系统使用训练。研究测试当天，患者使用RGO行相关步行测试，经3～5h完全休息，确认恢复训练体力后，再进行一次外骨骼的步行测试。所有的测试由经系统培训的项目成员规范执行。具体训练方案如下：①RGO步行训练：受试者佩戴由同一位矫形师量身定制的RGO，进行RGO的穿、脱训练、站立训练、平行杠内站立、步行训练、使用助行架室内步行训练。②外骨骼步行训练：受试者均使用北京航空航天大学研制的大艾外骨骼机器人，型号为AiWalker。由经过系统培训的治疗师根据受试者大、小腿长度、骨盆宽度调节外骨骼的长度及骨盆宽度至最佳状态，根据患者适应情况选择合适的步态模式。进行穿截外骨骼的穿、脱训练、站立训练、使用助行架进行步行训练。

1.3 评定标准 受试者借助助行架使用RGO、外骨骼达到较为稳定的步态后，由项目评估组治疗师对其分别使用两种步行装置在室内平地进行10 m行走时间、6 min步行距离测试其步行耐力；运用生理性消耗指数(Physiological burden index，PCI)测量步行时能力消耗。测试方法：受试者手腕佩戴PALOR(M400型)心率表，胸带固定在受试者心尖部位。测试前受试患者穿戴好步行装置先在座位安静休息 5 min，用心率表持续测量 1 min 确定休息时心率。随后让受试者以自身喜好的步速在室内25 m的步道上连续步行 6 min，测量步行距离，计算步行速度。受试者步行结束后立即在座位安静休息同时测定其心率，方法同前，以确定运动后心率，以下面的公式计算：

在步行测试结束后，即刻运用Borg主观运动强度量表(Rating of perceived exertion,PRE)评分，记录受试者在训练中的主观疲劳程度。

2 结果

2.1 步态参数比较 受试者使用外骨骼的6min步行距离测试用时、10m步行速度、步长表现均明显优于其使用RGO相应的步行参数(均P<0.05)。

表1 30例受试者分别使用RGO和外骨骼的步行参数比较

2.2 能量消耗比较 与RGO相比，患者应用外骨骼步行前后心率变化差异无统计学意义，PCI、PRE指数明显下降(均P<0.05)。见表2。

表2 30例受试者分别使用RGO和外骨骼的能量消耗比较

3 讨论

本研究所选用两种步行装置的特点如下： ①RGO特点：是由一对髋关节、两根钢索和附在一金属骨盆箍上的两个大腿矫形器以及躯干支条构成。患者使用RGO步行时，当身体重心移到一侧，该侧髋关节作过伸运动时，通过钢索牵拉使另一侧髋关节产生屈髋运动，从而达到带动下肢向前移动的目的，用同样的方法可迈出另一条腿。RGO的骨盆箍为杠杆支撑点，腰背部约束带为力点，不仅在步行中有助动功能，而且在患者站立与坐位姿势互换过程中有支撑稳定的功能[8]。见图1。 ②AiWalker特点：是由对两个髋电机和两个膝电机进行位置和力度的闭环控制以及四个电机的协调运动控制，以实现事先规划好的步态运动[9]。为减少训练中的风险，AiWalker配有移动支撑台架，可提供稳定的腰部支撑和面积较大的四角支撑，提高初始训练的安全性和稳定性。见图2。

图1 本研究训练用的RGO

图2 本研究训练用的外骨骼装置

因本研究设计目的为比较同一患者同一天内使用两种不同步行装置的步行参数特征，2组功能前提较为统一。入组该研究的前提条件之一是掌握使用助行架借助两种步行辅具实现平地步行的功能要求。临床实践中，也由于不同损伤平面、年龄、性别的受试者使用RGO及外骨骼设备达到助行架步行能力的时间不同。因此本研究中未具体规定患者系统使用训练时长。

本研究结果显示：与使用RGO相比，同一截瘫患者使用外骨骼可以达到更高的步行效率。患者使用外骨骼 6min步行距离平均为119.84m，约是RGO步行效率的3倍；10m步行用时是约RGO用时的约1/3，步长为RGO的2.3倍。此外，研究团队还发现：30例性别、年龄、身高、体重、损伤平面、病程各异的受试者使用外骨骼的步态参数组间差异较小，而RGO组间差异较大。6min步行测试中，受试者使用外骨骼步行距离区间为108.5～135m。而使用RGO的步行距离区间为25.2～79.2m。此结果与Carsten等[10]报道一致，无论年龄、性别和损伤平面如何，患者都可以通过外骨骼进行步行训练，并达到一定的步行能力。而使用RGO的步行能力与使用者受损伤平面、性别、年龄影响较大[11]。

本研究中，患者应用外骨骼时代表能量消耗客观指标的PCI及主观指标的PRE均明显优于应用RGO，也提示外骨骼能为受试者带来更为高效的步行功能。分析外骨骼的优势可见，外骨骼通过自带锂电池提供动力辅助，受试者进行步行活动较RGO在步行中能量效率方面具有显著优势。RGO由于缺少外动力装置，步行时需要大量的上肢、躯干肌肉力量，能量效率低。这使得患者在使用RGO步行时容易疲劳。在严重情况下，甚至会导致上肢肌肉的损伤[12]。某种程度上，外骨骼下肢机器人可看作是机械型截瘫步行器如RGO的升级和发展。与RGO的训练目的相同，现阶段进行外骨骼训练的理由一方面是减少截瘫患者处于坐位的时间，减少对SCI后并发症的影响，如疼痛、痉挛、肠和膀胱功能[13]，另一方面外骨骼也可以发挥其高效、节能的优势，作为未来潜在的功能型移动装置继续探索其在临床上的应用。Hartigan等[14]报道仅5次训练后，四肢瘫痪和截瘫患者均能快速掌握Indego外骨骼的使用技巧，并可以在不同路面行走实现社区性步行。

在实践应用中，研究团队也发现本实验选用的外骨骼设备尚需改进之处：如穿戴耗时较长(平均5min)，而RGO平均穿戴时间约1min；且个性化程度不足：现有技术尚不能实现使用者自如控制步态，仅能完成程序化步态。目前用于临床的可穿戴式外骨骼机器人普遍存在设备臃肿笨重、穿戴不便、人机结合欠佳等问题[15]。进一步的研发中，建议外骨骼在仿生能力、便携性及智能控制方面继续加强。大量临床证据显示，对于不完全性以及完全性脊髓损伤患者而言，下肢外骨骼康复机器人能有效且安全的提高步行能力，继而减少压疮、肺部感染、尿路感染等各种并发症，提高患者尊严，减少花费[16-17]。随着下肢外骨骼康复机器人性能的逐渐改进，将会得到更加广阔的临床应用。

综上所述，与RGO相比，截瘫患者应用外骨骼下肢机器人步行时步行耐力增强、步行速度提高、能量消耗较低，可作为完全性截瘫患者的治疗性步行辅具进一步推广应用。