行业资讯 | 下肢外骨骼机器人临床康复应用进展

外骨骼的定义来源于甲壳类动物，其骨骼生长在肌肉与组织外部，用于保护和支撑动物，属于“外骨骼”动物；与之对应，人类的骨骼生长于肌肉与组织之内，属于“内骨骼”生物。外骨骼机器人是一种基于仿生学和人体工程学研究设计的机器人，这种机器人的机械构型与人类的下肢骨骼类似并几乎平行,通过绑带套在患者身体外面，构成一种“穿戴在人体外面”的机器人，成为人类穿戴者除自身之外，由外部动力源驱动的另一副“骨骼”。

外骨骼的应用（图片来源于网络）

下肢外骨骼康复机器人结合医学理论并融合传感、控制、信息获取、移动计算等机器人技术，实现了类似于人体下肢骨骼的支撑功能、关节可控屈伸运动功能及真实地面类人步态行走控制功能，为不同个体特征的下肢运动功能障碍患者在康复训练或自由行走时，提供具有准确合理助力、正确步态引导、全方位保护、身体支撑等特性的类人行走驱动控制，使患者在医院或家中均能进行科学而有效的康复训练，运动机能得到更快更好的恢复，异常行走姿态得到纠正，穿戴者的力量、耐力和速度等多项运动功能指标得到大幅改善。目前利用下肢外骨骼康复机器人评估、重建和提高下肢运动功能障碍患者肢体运动灵活性、行走控制能力的临床应用已成为国内外的热点康复方向。

 下肢外骨骼康复机器人临床应用 

外骨骼机器人已经被广泛地应用于脊髓损伤和脑损伤患者的康复治疗。训练中，外骨骼机器人采用预设或实时设定的仿生步态，控制穿戴者下肢以类人的自然步态在真实地面行走。大量的研究已证明外骨骼机器人应用于临床具有很高的可行性，不仅能够作为助行设备辅助患者行走，也能够用于康复训练，改善患者的神经功能。

目前外骨骼机器人不仅在步行能力提升方面展现出积极的康复效果，还在偏瘫步态、肌张力、心肺功能、骨质疏松、压疮等方面观察到积极的作用。而不同品牌的外骨骼机器人由于结构设计和控制策略的差别，其临床应用的效果和优势也不相同。

 下肢外骨骼康复机器人临床疗效研究 

提高步行能力

不完全截瘫患者、偏瘫患者应用外骨骼机器人进行长时间的真实地面行走康复训练，能够促进其自身的步行速度与步行效率提升。

纠正偏瘫步态

通过外骨骼机器人进行大量类人行走训练，能帮助患者恢复或重建正确的行走姿势。

缓解肌肉痉挛

通过外骨骼机器人康复行走训练，能够帮助患者进行大腿、小腿、髋关节、膝关节、踝关节肌肉群牵拉，缓解肌肉痉挛。

改善心肺功能

通过站立行走主动功能训练，可促进血液循环，改善心肺功能。

减缓骨质疏松与关节肌肉挛缩

通过外骨骼机器人帮助患者经常大运动量站立负重行走训练，能够防止骨质疏松 ，同时对于长期坐卧患者，适度的站立行走训练能够减少肌肉挛缩。

降低压疮发生率，改善二便功能

通过站立步行，可有效降低压疮感染，同时促进胃肠蠕动，提升患者消化功能，促进二便功能改善。

 下肢外骨骼康复机器人研发挑战 

人机实时交互与人体运动意图

感知下肢外骨骼机器人的使用对象为截瘫、偏瘫等下肢功能损伤的患者，其自身的运动与平衡能力欠缺，人机之间的交互就变得尤为重要，同时患者下肢运动功能的确也造成了人体运动意图倍息采集难度的增加。现阶段虽然大部分外骨骼机器人均能实现一定的人机交互，但是人机交互的程度还欠缺，还需要对多种人机交互手段进行综合运行，实现更智能 、更全面的人机交互，进而完成对人体运动意图真正实时的感知，这是外骨骼机器人面临的最大挑战之一。

设备的轻量化、便携化是其广泛应用的基础，现在大多数外骨骼机器人过于沉重，使其携带、放置不方便，患者很难独自带到户外应用如何实现设备的轻量化，便携化，将是未来一个重要研究方向。同时外骨骼机器人面向的康复对象个体化差异很大，不同的应用对象，需要设备提供的髋、膝、踝关节助力不同，有的患者仅存在1个或2个关节功能障碍，不需要穿戴整套下肢助行机器人。所以根据不同的功能障碍需求，设计单关节及可多关节结构可重构的外骨骼机器人，以个体化的助力策略帮助康复对象，也是未来外骨骼的一个发展趋势因此实现轻量化、便携化、可重构化的全面突破，将是未来研发中又一个重要挑战。

随着康复的进展，能随着患者运动功能的变化及康复需求的变化，进行自适应的智能化外骨骼机器人系统，以及对于不同损伤部位和程度的脊髓损伤和脑损伤患者，能够根据患者的功能保留情况而自适应调整助力策略，具有自我学习能力的外骨骼机器人，也是发展的一个趋势，也是其大范围应用前面临的一个重大挑战。

 电池的续航问题

下肢外骨骼机器人大多数为移动设备，同时有属于动力装置，需要动力电池为其提供续航，但是基于电池技术的发展现状，现有的电池能量密度不足，造成电池选择上的矛盾：体积与能量大小为了维持续航，电池体积不断做大，但是电池体积增大，又增加了设备的重量。目前已有部分设备采用可更换电池的模式，但是患者本身又不能史换电池，所以增加电池的续航，是许多外骨骼研发者面临的行业现状，也是其需要突破的瓶颈。

综上，外骨骼康复机器人对于失去站立或行走功能的患者，提供了直立行走康复训练新方式，可以帮助患者高频率长时间进行仿人行走运动训练，这在过去是没有办法实现的，给康复领域带来了新的治疗方式和思维。外骨骼康复机器人的推出，已成为现代康复技术中重大的一个进程。

文章主要内容来自：中国康复医学杂2021,36(6):761-765

标题：下肢外骨骼机器人临床康复应用进展

作者：王战斌,陈思婧,杨青,帅梅,张冀聪

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