周 政,韓曉鳳 綜述,張 辛,王健全△ 審校

(1.天津體育學院,天津 301617;2.北京大學第三醫(yī)院運動醫(yī)學科,北京 100191;3.首都體育學院,北京 100913)

隨著預(yù)期壽命的增加和慢性病的進一步流行,全球殘疾率呈上升趨勢。根據(jù)世界衛(wèi)生組織最新的數(shù)據(jù)顯示,殘疾人人數(shù)已從2004年的7.85億增加到2010年的10億,其中約1.1億人為嚴重殘疾[1]。聯(lián)合國的一份報告顯示了世界人口老齡化情況:到2050年,60歲以上的人口將達到20億,占世界總?cè)丝诘?1.8%[2]。雖然老年人占殘疾人口的大多數(shù),但由于肌肉骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)疾病而導致殘疾最多的人群卻是青壯年(20～54歲)[3]。為應(yīng)對日益增長的患者數(shù)量、醫(yī)療成本上升和設(shè)備技術(shù)短缺等各方面的挑戰(zhàn),醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)必須足夠先進靈活[4]。醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)中包含很多新興技術(shù),而外骨骼機器人就是其中較為典型的一種。外骨骼機器人或矯形器是一種機械設(shè)備,用于幫助功能障礙人群進行身體康復,增強人體的身體承載能力或協(xié)助老年人的日常生活等[5-6]。迄今為止,外骨骼機器人研究的主要重點是醫(yī)療應(yīng)用,如支持中風和脊髓損傷患者的行動和康復[7]。在這些外骨骼機器人中,工程研究領(lǐng)域?qū)f(xié)助步態(tài)移動的下肢外骨骼發(fā)展較為關(guān)注,因為其具有更廣泛的應(yīng)用。

下肢外骨骼機器人輕便易穿[8-10],該領(lǐng)域的研究重點正轉(zhuǎn)向輕質(zhì)材料的開發(fā),力求使外骨骼重量更小、更人性化,提高工作效率[11]。近年來,有研究者提出采用柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計取代剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計,模擬人體肌肉工作原理來實現(xiàn)關(guān)節(jié)輔助[12]。柔性外骨骼機器人作為一種新興的外骨骼技術(shù),對功能障礙患者的治療作用受到了越來越多的關(guān)注。但是,現(xiàn)有的外骨骼綜述大多都關(guān)注于硬件結(jié)構(gòu)和本身系統(tǒng)設(shè)計,較少從臨床康復應(yīng)用的視角出發(fā),尤其缺少關(guān)于柔性外骨骼系統(tǒng)在臨床康復應(yīng)用的相關(guān)研究。因此,本綜述重點關(guān)注柔性外骨骼機器人在康復治療中的應(yīng)用,展望其未來發(fā)展方向,同時希望后續(xù)研究與臨床研究緊密結(jié)合。

1 外骨骼機器人

外骨骼機器人實質(zhì)上是一種穿戴式機器人,是穿戴在人體外部的機械結(jié)構(gòu),涉及電子、機械、智能技術(shù)和計算機等各個領(lǐng)域,同時融合了傳感、控制、信息耦合和移動計算等各種高新技術(shù)的一種集成產(chǎn)品,在為穿戴者提供如保護、助力、身體支撐等功能的基礎(chǔ)上,能對人體進行輔助或者主動助力,滿足人體的各種運動需求[13]。根據(jù)外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)組成不同,大致可分為剛性外骨骼機器人和柔性外骨骼機器人。

1.1 剛性外骨骼機器人

剛性外骨骼機器人其連接結(jié)構(gòu)大多采用剛性機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,能夠直接為人體提供支撐、助力、步行等功能,目前最具代表性的包括Lokomat[14-15]、Rewalk[16-17]、Ekso[18]和HAL[19-20]等。剛性外骨骼機器人的優(yōu)勢是能夠精確且快速地實現(xiàn)位置控制,力傳遞效果好。然而剛性外骨骼的重量一般較大,會增加穿戴者的額外能量消耗,同時關(guān)節(jié)的自由活動度也會因為剛性結(jié)構(gòu)而造成一定限制,從而改變穿戴者本身的自然步態(tài)模式[21-22]。這些問題影響了剛性外骨骼的康復效果,限制了剛性外骨骼系統(tǒng)在臨床康復中的實際應(yīng)用。

1.2 柔性外骨骼機器人

柔性外骨骼機器人具有靈活的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和運動模式,能為人體運動提供順應(yīng)的助力模式。設(shè)計時,研究人員需要考慮穿戴的柔順性,同時要實現(xiàn)有效助力。相比剛性外骨骼,柔性外骨骼更加考慮柔順性和安全性[23]。目前應(yīng)用較為廣泛的包括Myosuit外骨骼機器人[24-25]、XoSoft[26-27]、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)-外骨骼[28]和ReWalk ReStoreTM[29]等。柔性外骨骼機器人主要由4個部分組成。(1)柔順外骨骼套:一般采用輕質(zhì)、耐用的功能性紡織品,在實現(xiàn)較好柔韌性和靈活性的同時,在合適的位置加入彈性單元,使其更具柔順性。(2)輕型驅(qū)動系統(tǒng):采用輕型的主動驅(qū)動(如微型電機),可有效減輕穿戴者的負重并結(jié)合被動元件彈簧實現(xiàn)對人體助力運動。(3)運動感知系統(tǒng):包括力傳感器、角度傳感器、陀螺儀等,可對穿戴者及柔性裝置的運動進行檢測。(4)智能控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)具有智能性,需要及時響應(yīng)穿戴者的生理信息和運動信息[24]。

2 柔性外骨骼機器人在康復訓練中的應(yīng)用

較多文獻報道了柔性外骨骼機器人重要的研究意義,并進行了詳細的分析和概述[13,23,30],但是缺乏涉及柔性外骨骼機器人應(yīng)用于臨床康復的調(diào)查文章,這可能是由于柔性外骨骼機器人研究歷史較短,且病例研究和人體研究具有困難性,導致臨床適用性與實驗室研究之間存在嚴重脫節(jié)。從臨床來看,很難客觀評估這些裝置的設(shè)計、功能和控制是否能較好地應(yīng)用于患者。因此,調(diào)查分析柔性外骨骼在臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀,能為臨床康復和外骨骼研究之間建立起更緊密的聯(lián)系。

2.1 輔助髖、膝關(guān)節(jié)的柔性外骨骼機器人在康復訓練中的應(yīng)用

KAI等[31]于2017年發(fā)布柔性外骨骼機器人Myosuit,用于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)伸展的雙關(guān)節(jié)輔助,旨在幫助大量患有不同程度肌肉無力的患者。其在2019年首次進行了臨床實驗,其中,1例脊髓損傷的患者穿戴MyoSuit進行訓練后, 10 m步行計時測試的步行速度從0.36 m/s提高到0.52 m/s,在10%～30%的步態(tài)周期中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)伸展均增加[24]。其在同年招募了12例受試者進行了臨床實驗,最終8例受試者完成了實驗,其中5例在使用Myosuit時的步行速度高于其原本的步行速度。在實驗過程中,并沒有發(fā)生任何不良事件,表明在康復訓練過程中使用Myosuit安全可行,且不同運動障礙的個體均對Myosuit具有良好的耐受性[32]。

XoSoft[33]是由意大利Dept Adv Robot公司2017年針對由于部分喪失感覺或運動功能的行動不便患者研發(fā)的機器人。其控制策略是通過在步行周期的特定階段增加髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)屈曲角度和提高擺動階段離地間隙來改善步態(tài)模式。該公司在2018年[34]和2019年[26]對卒中后偏癱患者進行了臨床實驗,比較穿戴XoSoft與未穿戴患者的直線行走功能。結(jié)果表明,XoSoft在直線行走過程中能量成本降低了7.8%。其中,在步行周期的擺動階段,患者膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度提高、髖關(guān)節(jié)的最大伸展角度降低、擺動階段的離地間隙提高,但是患者在擺動后期過分依賴于外骨骼補償策略,并沒有達到預(yù)期的效果。

2.2 輔助髖關(guān)節(jié)的柔性外骨骼機器人在康復訓練中的應(yīng)用

YI等[28]開發(fā)了一種增塑PVC凝膠和網(wǎng)狀電極的收縮型人造肌肉,將其應(yīng)用在一種輕便、便攜式和可穿戴式外骨骼機器人上,并進行了初步實驗,以幫助老年人的日常生活。通過對輕度偏癱患者(住院3個月,病人在沒有矯形器的情況下可以獨自行走)的步行功能進行測試,結(jié)果表明穿戴PVC-外骨骼可以增加步行速度和步長,并且在步態(tài)周期的40%～60%期間,股直肌、縫匠肌和腘繩肌的積分肌電出現(xiàn)不同程度地下降,說明PVC-外骨骼可有效減輕行走過程中下肢肌肉的負擔[35]。

LEE等[36]于2019年使用新開發(fā)的可穿戴式髖關(guān)節(jié)輔助機器人“GEMS”對28名卒中偏癱患者進行了初步臨床實驗。最終,26名患者完成了實驗,與對照組(12例)相比,實驗組(14例)步速、步頻和步長均得到了改善且患側(cè)的肌肉力量得到了提升。實驗組在訓練結(jié)束后肢體對稱性、平衡、心肺功能得到良好改善。結(jié)果提示使用“GEMS”進行運動訓練可以促進卒中患者的康復進程,效果較佳,但局限性是沒有觀察長期訓練療效,未來需要增加更多的樣本量。

前期實驗結(jié)果表明,使用跨步管理輔助(stride management assist,SMA)進行步態(tài)訓練可以提高肌肉工作效率[37]、降低能量成本[38],改善卒中患者步長和空間不對稱性[39]。JAYARAMAN等[40]應(yīng)用日本東京本田公司研發(fā)SMA外骨骼對50名慢性卒中患者進行臨床實驗,結(jié)果表明使用SMA外骨骼可以改善患者的步行速度,加強步行耐力,提升肌肉興奮性,從而改善步行能力。研究人員表示未來將會進一步研究腦損傷的大小和位置對SMA訓練結(jié)果的影響。

2.3 輔助踝關(guān)節(jié)的柔性外骨骼機器人在康復訓練中的應(yīng)用

美國波士頓大學研究團隊在2015年首次對ReWalk ReStoreTM外骨骼機器人進行了臨床應(yīng)用,初步證明其能追蹤卒中患者步態(tài),可以在患者步行特定階段提供助力,提示該外骨骼機器人的實用可行性[41]。其后,該團隊進行了優(yōu)化,使其重量減輕、易于穿脫,并且能夠有效地為患側(cè)腳踝提供機械輔助。2018年,該團隊對3例步態(tài)不同的卒中患者進行研究,結(jié)果表明ReWalk ReStoreTM外骨骼機器人可以在改善患者步行向前推進的對稱性和擺動階段離地間隙,最終降低步行的能量成本[42]。研究團隊還發(fā)現(xiàn)外骨骼可以與卒中患者的偏癱肢體同步發(fā)揮作用,使偏癱側(cè)踝關(guān)節(jié)的擺動階段背屈角度增加(5.33±0.91)°,對偏癱肢體產(chǎn)生(11±3)%的向前推進力。這些改變能夠減少(20±4)%向前推進時的肢體間不對稱性,并在站立時身體重心不對稱性降低了39%,步行能量成本平均減少10%[43-44]。對卒中患者穿戴ReWalk ReStoreTM外骨骼機器人的步行速度、距離和能量消耗的變化進行評估,結(jié)果表明患者在10 m步行測試中步行速度中位數(shù)增加(0.14±0.06)m/s,并在6 min步行測試中行走距離增加(32±8)m,說明卒中患者通過ReWalk ReStoreTM提供的跖屈肌和背屈肌輔助實現(xiàn)了具有臨床意義的速度和距離增加[45-46]。2020年,商業(yè)版ReWalk ReStoreTM已正式投入市場。在最近的臨床研究中,研究人員對44例偏癱患者進行了外骨骼步態(tài)輔助效果研究,共36例患者完成了5 d的訓練且步行功能均得到了改善。表明在物理治療師的指導下,偏癱患者步態(tài)康復期間使用ReWalk ReStoreTM進行訓練安全可靠,后者可在跑步機和地上行走時可對踝趾屈和背屈提供輔助。

此外,KWON等[47]針對卒中患者設(shè)計了一種柔性機器人踝足矯形器。其在2019年對1例49歲卒中患者進行臨床實驗,結(jié)果顯示矯形器能夠在臨床和日常生活中為患者提供步態(tài)輔助,患者在行進過程中可改善步態(tài)推進和預(yù)防足下垂。IUPPARIELLO 等[48]測試了基于彈性元素的防護服(稱為Regent Suit)對60名亞急性卒中患者運動和日常生活方面的療效,研究結(jié)果表明,實驗組步行速度、平衡功能和barthel指數(shù)都得到了良好的改善,說明使用Regent Suit在亞急性卒中患者的運動和日常生活方面的干預(yù)效果優(yōu)于常規(guī)護理,患者在步行過程中可以使雙側(cè)肌肉對稱性增加。SLOOT等[49]通過8名偏癱患者測試了Exosuit,研究比較了卒中患者在穿戴Exosuit下的地上行走情況。研究結(jié)果顯示,Exosuit輔助行走可以改善擺動期的向前推進和離地間隙。

柔性外骨骼在患者體驗、舒適度等方面表現(xiàn)較好,但臨床中的應(yīng)用、樣本數(shù)目較少,大多都限制在下肢功能障礙中,在康復過程中仍然存在一定的局限性。

3 柔性外骨骼機器人的優(yōu)勢及局限性

3.1 優(yōu)勢

(1)與傳統(tǒng)的剛性外骨骼相比,柔性外骨骼機器人與人體充分貼合且易于適應(yīng)不同人的不同步態(tài)特點;(2)在訓練過程中,柔性外骨骼重量更輕,減少了因外骨骼重量過大而造成的代謝消耗,可以改善肢體間的不對稱性;(3)在驅(qū)動方面,柔性外骨骼順應(yīng)性好,驅(qū)動柔順,助力方式更符合人體生物力學,避免了穿戴外骨骼進行運動時而產(chǎn)生的疼痛與擦傷等問題;(4)在舒適度方面,柔性外骨骼機器人避免使用剛性元素,提供了更高的舒適度,便于穿脫;(5)在運動方面,柔性外骨骼機器人減少了剛性結(jié)構(gòu)對關(guān)節(jié)的束縛,不會對佩戴者施加運動學限制,運動過程中造成的額外負荷小,其保持與人體動作協(xié)調(diào)的同時也能在行走過程中對目標關(guān)節(jié)產(chǎn)生重要助力。

3.2 局限性

3.2.1助力效果不佳

與剛性外骨骼機器人相比,柔性外骨骼機器人傳力效率較低,運動功能輔助實際效率有限。柔性外骨骼機器人并不能完全實現(xiàn)替代患者的關(guān)節(jié)進行運動,對患者自身的功能水平也具有一定要求,控制精度相對較低。

3.2.2人機交互不高

柔性外骨骼無法準確識別患者的運動意圖,如果要實現(xiàn)患者的主動康復,需要針對某些特定任務(wù)評估患者的運動能力和運動表現(xiàn),根據(jù)其運動能力和運動意圖調(diào)整機器輸出,控制各個關(guān)節(jié)的位置或速度,以確保柔性外骨骼機器人能夠跟隨患者的運動意圖進行順從的輔助運動,而不會對人體造成二次傷害(如擦傷)[12]。

3.2.3結(jié)構(gòu)剛度較低

柔性外骨骼機器人不能獨立支撐人體自身重量,需要患者下肢力量協(xié)助支撐身體重量。

3.2.4智能程度不高

自主學習能力不強,智能化程度不高,柔性外骨骼機器人的控制系統(tǒng)相對落后,多種參數(shù)要人為進行測量和操作。

3.2.5臨床應(yīng)用有限

從現(xiàn)有的研究文獻中發(fā)現(xiàn),目前,大部分柔性外骨骼機器人對健康受試者或者患者進行實驗的樣本量較少,受試群體不多且大多研究都針對步態(tài)障礙,需要更大樣本量的臨床測試來證明柔性外骨骼機器人的有效性。

4 發(fā)展側(cè)重點

為了應(yīng)對國內(nèi)康復市場的巨大需求,柔性康復機器人作為一種新型的外骨骼機器人技術(shù),現(xiàn)已成為研究者關(guān)注的重點內(nèi)容。隨著5G傳感、智能科技、計算機控制等技術(shù)的不斷發(fā)展,柔性外骨骼機器人的迭代十分迅速,有望成為步態(tài)障礙患者的一種有效助力工具。雖然我國在下肢康復外骨骼機器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進展與突破,但是在柔性外骨骼機器人方面與國際上還存在著一定差距,在今后的發(fā)展中應(yīng)側(cè)重以下幾點。

4.1 提高運動功能輔助效率

以柔性驅(qū)動的康復機器人輔助效果較低,離剛性驅(qū)動的康復機器人實際輔助功率水平還有一定差距。該領(lǐng)域的研究重點一直是如何通過優(yōu)化穿戴結(jié)構(gòu)、設(shè)計新式機械驅(qū)動、研發(fā)新型的柔性材料來提高驅(qū)動效能,同時建議尋找性價比更高的材料,實現(xiàn)康復機器人的普適性[12]。

4.2 深入研究人機交互策略

目前,人工智能得到了深度發(fā)展。外骨骼機器人控制系統(tǒng)也應(yīng)與時俱進,實現(xiàn)智能控制,使得操作簡單容易,增強用戶體驗;同時,增加觸覺反饋,增強人體與機器人的交互[45]。

4.3 結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計

柔性外骨骼機器人按照一定的規(guī)則進行模塊劃分,可以降低外骨骼的復雜性,從而使外骨骼機器人結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,方便使用與維修,可以更好地滿足不同用戶的實際需求[50]。

4.4 增加臨床實驗

柔性外骨骼機器人大多數(shù)基于人體仿生學設(shè)計,能夠順利地完成人機協(xié)調(diào)運動,但是在目前的臨床實驗中,樣本量大多較小,僅有少量的健康受試或者患者參與實驗。因此,應(yīng)增加臨床實驗的樣本量來證實其有效性。

4.5 研究先進傳感器

在訓練過程中,柔性外骨骼機器人的助力效果、穿戴者疲勞程度、康復效果等都不能在訓練時進行及時的監(jiān)測與呈現(xiàn),急需先進傳感器來實時檢測受試者的身體狀態(tài)。

5 小 結(jié)

近年來,隨著康復需求的擴大,康復機器人得到了極大的發(fā)展,但是較少有工程研究關(guān)注機器人在臨床上的實際應(yīng)用。作者重點關(guān)注了多款下肢柔性外骨骼機器人在康復領(lǐng)域的應(yīng)用及其療效,希望能為研究者帶來思考,讓實驗室研究與臨床研究緊密結(jié)合,避免出現(xiàn)兩者嚴重脫節(jié)的現(xiàn)象。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,柔性下肢外骨骼康復機器人的功能也更加完善,康復醫(yī)療效果日漸提高,深入研究康復外骨骼機器人具有重要的科學意義和社會價值。