站起有困难，外骨骼机器人来帮忙

2022-12-19 16:58:52 来源：科普中国

作者：高大勇、陈吉保；主审：翟华

单位：上海市养志康复医院（上海市阳光康复中心）

(资料图)

该科普作品为《脊柱脊髓损伤不要怕，预防康复有办法》系列科普材料之一

在大家的印象中，“脊髓损伤”和“截瘫”之类的字眼就意味着只能与轮椅为伴，甚至是只能长期卧床，而重新恢复站立及行走也是很多脊髓损伤患者的期望。随着科技的进步，站立与行走对于脊髓损伤患者来说，已经不再是一场遥不可及的梦，外骨骼机器人就是帮助他们圆梦的武器之一。

外骨骼机器人可以被视为一种延伸、补充、替代或增强人类功能和能力的技术，不仅能帮助脊髓损伤患者重新拥有站立及行走的能力，还可以降低患者因长时间坐在轮椅上而产生压疮的风险，维持关节的正常活动度，改善心脏健康状况、肌肉强度和心理状态，缓解抑郁症等。

发展历史早期在军事上使用的外骨骼机器人

这项技术最早可以追溯到20世纪60年代初，美国国防部最先提出了动力性“盔甲”的概念。与此同时，康奈尔航空实验室开始发展人力增强器——机械手，以增强人类操作员的力量。从1966年到1971年，通用电气公司通过哈迪曼项目进一步发展了人力增强器的概念。它们可以被认为是目前康复外骨骼机器人的祖先。

外骨骼机器人通常由一个电力系统，以及测量电机扭矩的传感器组成。此外，有一些还包括捕获生物信号的传感器，例如测量肌肉信号的肌电图仪(EMG)或允许捕获大脑电信号并将其转换为命令信号的脑电图仪(EEG)等等。目前市场上可供选择的医用外骨骼机器人除了上图所示的机器人之外还有Lokomat，ReWalk，HAL，Ekso GT，Rex和Indego (图A-F )等。

外骨骼机器人相对于传统步行辅具的优势：一、安全为了保证使用者可以安全地使用外骨骼，除了系统会设置防错控制之外，还有两个安全措施：一是检查倾斜角度和使用者躯干的角速度，确保重心传递良好；另一个是在摆动腿与地面发生碰撞或因痉挛过大而导致无法运动时，系统会检查电机的电流是否大于阈值，来确保不会造成肌肉拉伤。此外，每条腿上的支撑部分可以根据使用者下肢的围度进行调整。这种设计可以有效避免使用外骨骼机器人行走时的皮肤擦伤。

二、省力

胸段脊髓损伤的患者在佩戴KAFO进行站立和行走时，需要消耗大量的体力。此外，步行效率低，步行速度慢是KAFO等矫形器使用率低的主要因素。截瘫患者如果要依靠前臂拐杖等辅助设备行走，必须高度依赖上肢来支撑体重，同时要确保平稳的重心转移以保持平衡。这种运动模式不仅效率低下，还可能因为肩部和手腕处的大量负荷，导致运动损伤。外骨骼相比传统的KAFO最大的优点是关节处的马达提供了功能活动所需的关节伸展力矩。因此，使用者可以使用接近正常的运动模式进行坐立和行走，而不是代偿性运动模式（因为这种模式可能会对他们的身体造成损伤）。

发展前景

外骨骼机器人已经成为帮助患者康复的合适工具。它不仅使用方便，而且也可以为治疗师提供客观数据，方便制定更合适的训练计划，从而获得更佳的训练效果。

近几年，外骨骼的发展迅速，不仅电机越来越小、而且噪音更低、体积更小、效率更高。相信在不久的将来，外骨骼会更加智能轻便，不仅让我们走的更快，更稳，更加灵活，还能让患者获得更佳的治疗效果！

（本文部分图片来源于网络）

参考文献：

1: Wu CH, Mao HF, Hu JS, Wang TY, Tsai YJ, Hsu WL. The effects of gait training using powered lower limb exoskeleton robot on individuals with complete spinal cord injury. J Neuroeng Rehabil. 2018 Mar 5;15(1):14.2: Tóth L, Bors V, Pallag A, Pinczker V, Dóczi T, Cserháti P, Shenker B, Büki A, Nyitrai M, Maróti P. Traumás gerincvelősérültek rehabilitációja alsó végtagi humán exoskeletonnal [Rehabilitation of traumatic spinal cord injury with lower3: Quiles V, Ferrero L, Ianez E, Ortiz M, Megia A, Comino N, Gil-Agudo AM, Azorin JM. Usability and acceptance of using a lower-limb exoskeleton controlled by a BMI in incomplete spinal cord injury patients: a case study. Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 2020 Jul;2020:4737-4740.4: Yang W, Zhang J, Zhang S, Yang C. Lower Limb Exoskeleton Gait Planning Based on Crutch and Human-Machine Foot Combined Center of Pressure. Sensors (Basel).2020 Dec 16;20(24):7216. 5: Xiang XN, Zong HY, Ou Y, Yu X, Cheng H, Du CP, He HC. Exoskeleton-assisted walking improves pulmonary function and walking parameters among individuals with spinal cord injury: a randomized controlled pilot study. J Neuroeng Rehabil. 2021 May 24;18(1):86. 6: Almutairi S, Swank C, Wang-Price S, Gao F, Medley A. Walking with and without a robotic exoskeleton in people with incomplete spinal cord injury compared to a typical gait pattern. NeuroRehabilitation. 2021 May;49(4):585-596.7: Postol N, Spratt NJ, Bivard A, Marquez J. Physiotherapy using a free-standing robotic exoskeleton for patients with spinal cord injury: a feasibility study. J Neuroeng Rehabil. 2021 Dec 25;18(1):180.

关键词：脊髓损伤治疗效果发展前景