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使用动力外骨骼训练脊髓损伤患者行走

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DOI：

10.3791/54071

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2016年6月16日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Veterans Affairs (VA) Rehabilitation Research and Development National Center of Excellence for the Medical Consequences of Spinal Cord Injury, James J. Peters VA Medical Center, 2Department of Veterans Affairs (VA) Spinal Cord Injury Service, James J. Peters VA Medical Center

本文内容

摘要

使用动力外骨骼训练瘫痪患者行走可能面临诸多挑战。本研究旨在介绍候选者筛选标准，以及外骨骼辅助行走和其他移动技能的训练流程，并可根据受试者技能水平的提升逐步进阶训练内容。

摘要

对于因脊髓损伤（SCI）导致瘫痪但上肢功能完好、且能够借助前臂拐杖维持直立平衡的个体，动力式外骨骼已可用于地面行走。要在外骨骼中行走，使用者必须掌握在站立、坐下以及每步进行适当重心转移时维持平衡的能力。对于下肢感觉和本体感觉存在障碍的个体而言，这可能是一项具有挑战性的任务。本文描述了纽约布朗克斯詹姆斯·J·彼得斯退伍军人医疗中心制定的筛选标准和培训方案，旨在教会使用者在机构、家庭或社区环境中使用这些设备所需的技能。在开始训练之前，需对潜在使用者进行髋、膝和踝关节适当活动范围的筛查。脊髓损伤患者即使在轻微应变或创伤下，发生下肢骨折的风险也较高，因此需进行骨矿物质密度评估以降低骨折风险。此外，筛查过程中还需进行体格检查，以识别其他与健康相关的禁忌证。

当受试者成功通过所有筛查要求后，即可获准开始训练项目。设备将被正确调整以适配使用者。在学习行走之前，使用者需接受并完成一系列静态和动态平衡任务的训练。训练内容包括在不同环境中行走，范围从室内平坦表面到室外不平整或变化的地面。一旦使用者掌握足够技能，具备在家使用外骨骼的条件，还需指定一名同伴协助者，与其共同接受训练。该二人组合必须共同展示完成各种高级任务的能力，方可获准在家庭或社区环境中使用外骨骼设备。

引言

许多脊髓损伤（SCI）患者无论是否使用辅助设备或接受身体帮助，都无法站立和行走。几个世纪以来，严重脊髓损伤患者唯一的移动方式就是轮椅1。在过去的几十年中，脊髓损伤患者可以选择使用被动矫形器装置作为补充移动手段，例如多种交互式步态矫形器（RGO）2-7。然而，由于使用者需要耗费较大的体力才能借助这些装置行走，导致其应用并未广泛普及。此外，RGO在爬楼梯、起立和坐下方面也存在局限性3,7。研究人员曾尝试通过结合功能性电刺激（FES）来驱动运动并促进肢体前向摆动，以提高这些装置的效率；然而，这些尝试尚未超越概念或原型阶段8-12。20世纪70年代，人们将电机与矫形器结合，用于驱动髋关节和膝关节运动，并成功使脊髓损伤患者实现迈步13。但由于当时电池和计算机技术不足，限制了设备的使用范围，后续研发工作因此被放弃10,13。

随着近期技术的进步，已开发出多种动力外骨骼装置，以帮助患有各种病理状况的个体实现地面行走。这些动力外骨骼装置已在脑卒中患者14,15、完全性与不完全性脊髓损伤（SCI）患者16-24以及其他因下肢控制能力下降而导致行动障碍的残疾人士中进行了研究25-27。尽管这些装置在设计上有所不同，但每种设备均需使用者经过训练和练习才能安全操作。在所引用的三种设备中，使用者需借助拐杖行走并维持平衡。第四种设备则因其较大的足板和质量，扩大了支撑底面积并降低了重心，从而实现自身平衡与稳定20。尽管由于设备设计差异，各装置在机械结构和控制动作方式上存在一些不同，但需要使用拐杖的这三种设备在基本原理上是相同的。

由一名生物医学工程师、生理学家、物理医学与康复医师、运动生理学家、神经科医生及物理治疗师组成的研究团队，在纽约布朗克斯区的詹姆斯·J·彼得斯退伍军人事务医疗中心（JJPVAMC）开发了一项培训计划。该培训计划是针对此前已描述过的一种特定动力外骨骼设备而设计的17,18，但其中包含的一系列技能也适用于其他需要使用拐杖维持平衡的动力外骨骼设备。所有潜在参与者在进入渐进式培训计划前均需接受筛查。对脊髓损伤（SCI）患者进行筛查的重要性在于确保不存在可能妨碍这些设备安全使用的禁忌医学并发症。其中一个关注的重点是低骨矿物质密度（BMD）。脊髓损伤患者在受伤后会立即出现显著的骨量流失28,29，这种流失可能持续终生30。BMD的降低导致长骨骨折风险显著升高。目前尚无有效治疗方法可缓解完全性运动型脊髓损伤患者的骨量流失。此外，尚未建立明确的脊髓损伤患者骨折阈值，但已有研究尝试确定可用作指导的评估标准31-33，并结合临床判断和骨折史进行综合评估。其他常见的禁忌证可能经过治疗后得以解决，例如关节活动范围（ROM）受限34和压疮35。不同的动力外骨骼设备可能对使用资格有不同要求，例如关节活动范围的标准，大多数此类要求已有文献描述17-19,21,22,36。

当一个人成功通过所有筛选标准后，即可开始为使用者适配设备并进行训练。正确适配设备至关重要，以避免下肢与外骨骼发生不当接触，因为适配不良可能导致瘀伤和/或皮肤擦伤16。使用者可能具有受限或完全缺失的下肢感觉和本体感觉；这种来自足部的感觉和触觉反馈的缺失可能导致其对自身平衡中心的整体感知能力下降，从而延缓使用者掌握设备的速度。对平衡中心感知能力的不足还可能导致在进行适当重心转移时出现困难，例如难以判断步态周期中所需的前后及侧向移动幅度，或重心转移时机不当，进而导致为维持平衡而过度依赖上肢和拐杖承重。在掌握站立平衡和重心转移的基本机制后，使用者将学习在设备中行走。需要进行多次训练以提高行走能力及其他移动技能。初期训练通常在医疗机构内平坦、光滑的地面上进行。随着技能水平的提升，将逐步引入更具挑战性的任务，例如在不同类型的地面上行走，包括地毯、沥青、混凝土、草地以及具有不同坡度的不平整地面。

本文的目的是报告用于地面行走的动力外骨骼系统的筛选标准、正确穿戴与训练流程。该方案是为某一特定设备专门开发的，该设备已被其他研究者描述过16-18，但其中涉及的问题和挑战在脊髓损伤（SCI）患者参与外骨骼辅助行走项目时具有普遍性，无论使用何种动力外骨骼系统，这些挑战对训练人员和患者均具有共性。本方案中某些具体内容针对JJPVAMC所使用的设备。此外，训练方案中的部分组件由设备制造商提供，包括设备各部件的介绍、正确穿戴的基本指导，以及基本的站立与坐下的操作指导。JJPVAMC的研究人员开发了使用者站立后进行的所有训练活动，包括对站立与坐下训练指导的优化、站立平衡技能、室内行走进阶技能、室外行走进阶技能，以及其他涉及伸手、停止、转向以及各类门/门槛通过的移动任务。

方案

注意：本文所述的训练方案是在一项名为“"The ReWalk Exoskeletal Walking System for Persons with Paraplegia"”的试点项目期间开发的，该研究在 ClinicalTrials.gov 注册，注册号为 NCT01454570。开发训练方案并非该试点项目的目标，而是在研究实施过程中逐步形成的。本研究方案及知情同意书已提交至 JJPVAMC 机构审查委员会（IRB）并获得审查批准。研究人员向每位受试者全面解释了整个研究内容及相关操作流程，并给予潜在受试者充分提问的机会，同时鼓励其在签署知情同意书前根据自身需要预留充足考虑时间。

1. 受试者招募

  1. 对潜在参与者进行初步筛查评估。
    1. 简要说明训练过程的详细信息（研究时长、每周训练次数、每日训练小时数）。说明已知的参与风险（皮肤擦伤、跌倒可能导致受伤以及不可预见事件的可能性）。
      注意：在本方案中，训练课程每周进行3次，每次持续60至90分钟。参与者学习使用动力外骨骼并不需要特定的训练频率和/或持续时间。
      1. 向潜在参与者说明医学限制条件，例如：髋关节或膝关节骨密度低、近期有骨折史、无法耐受站立、上肢力量弱以及躯干控制能力差。审查纳入和排除标准，以决定是否继续进入筛查流程。鼓励潜在参与者提出问题，并留出充足时间解答疑虑和回答问题。
        注意：本研究中所使用特定动力外骨骼的人体测量学限制被纳入了纳入标准，即：身高<160 或 >190 cm，体重<100 kg。
  2. 如果初步筛查评估通过，则提供关于研究的详细说明，并启动正式筛查流程。
    1. 进行双能X射线吸收测定法（DXA）扫描，双侧评估髋关节和膝关节的骨密度。
      注意：该机构将外骨骼的使用限制在总髋部和股骨颈T值大于-3.5，以及近端胫骨和远端股骨骨密度（BMD）大于0.60 g/cm2的个体。这些数值并不能消除骨折风险，但旨在降低风险。建议临床医生查阅相关文献，并根据自身对信息的理解调整这些数值31-33。
    2. 实施脊髓损伤神经功能国际标准分类（ISNSCI）37检查，评估损伤水平、运动功能和感觉功能。
      注意：本项初步研究纳入了不同损伤水平的参与者，具体信息见表1。截瘫患者是主要使用者；然而，对于颈段损伤但各肌肉群上肢运动评分达到4分或以上、且能够借助拐杖维持平衡的个体，也可能适合使用此类动力外骨骼及其他类似设备。
    3. 获取一般医学病史并进行体格检查，包括肩关节、髋关节和膝关节的活动范围评估，以及对下肢和下背部与动力外骨骼接触区域的皮肤检查。
      注意：任一关节屈曲活动范围小于20°的个体被排除在外。此外，肩关节必须具备足够的活动范围，以便正确放置拐杖，完成从坐到站和从站到坐的动作。参与者下肢必须无任何压疮，尤其是与外骨骼直接接触的部位。不同设备的具体标准可能有所不同，临床医生应参考制造商提供的针对该动力外骨骼的具体要求。

2. 拟合

注意：设备的适配程序由该设备的制造商开发。针对不同外骨骼设备，对人体进行适配的方法学也可能有所不同。临床医生应参考各具体制造商提供的操作流程。

  1. 让受试者取仰卧位。使用软尺测量骨盆宽度、大腿长度和小腿长度，并以厘米为单位记录。
    1. 从髋部大转子最突出点至膝关节线测量大腿长度。以相同方式测量另一侧肢体。记录任何肢体长度差异。根据所测得的受试者每侧大腿长度，调整动力外骨骼从髋关节中心到膝关节中心的距离。
    2. 从小腿膝关节线测量至足底。对另一侧小腿重复测量。根据所测得的受试者每侧小腿长度，调整动力外骨骼上从足板底部至膝关节中心的距离。
    3. 通过使用不同尺寸的骨盆带调整动力外骨骼的宽度。选择骨盆带时，让受试者坐在带开放背部的椅子或长凳上，呈坐位姿势。将尺寸最接近受试者骨盆宽度的骨盆带置于其身后，缓慢向前移动以测试是否合适。在骨盆带两侧各留出最多1 cm的间隙。
      注意：其他类型的动力外骨骼具有不同的调整方式，应根据制造商的规格进行适当调整。
    4. 选择合适的骨盆带尺寸后，将骨盆带固定在胸椎直立杆的中立或居中位置。当受试者处于站立位时，如有需要，适当调整前后位置，使大转子与髋关节旋转轴对齐。
      注意：骨盆带可设置为向前或向后推动髋部。中立或居中位置是指骨盆带的设定状态，使其在前后方向上均可进行等量调节。
  2. 通过脱下受试者的鞋、取出鞋垫，然后将尽可能大的足板置入鞋内，完成足板的适配与调整。将鞋垫放在足板上方。通过微调踝关节处弹簧机构的张力，调节足板的背屈辅助力度。
  3. 完成所有测量后，系统即可准备供受试者穿戴。

3. 穿戴

注意：穿戴程序由设备制造商制定。将使用者穿戴至动力外骨骼的方法可能因不同设备而异，临床医生应参考制造商提供的操作流程。

  1. 将外骨骼装置以坐姿放置在椅子上，绑带保持打开状态。
    注意：理想的椅子应具有较宽的软垫座位，且不得有扶手或轮子。
    1. 指导受试者将其轮椅以轻微角度靠近处于坐姿状态的外骨骼装置。
    2. 要求受试者通过一手扶住装置、另一手扶住轮椅的方式，将身体转移至装置内。确保受试者以连续动作完成转移。若受试者无法一次性完成转移，可鼓励其短暂停留在外骨骼的上部"大腿"部位，并通过第二次动作继续完成转移。
      注意：如有需要，可提供转移协助。
  2. 当受试者正确就座于装置中后，指导其先将双脚放入鞋部固定装置，随后从身体最远端开始，由下至上依次固定绑带，最后固定胸部绑带。
    1. 如有需要，可使用手动控制功能轻微屈曲髋关节并伸展膝关节，以便更轻松地将双脚放入鞋中。
    2. 小心引导脚部进入鞋内，特别注意确保脚趾未发生蜷曲。当脚部正确就位后，使用手动控制将腿部和脚部移回地面，然后固定鞋部绑带。采用相同步骤确保第二只脚正确放入鞋内。
    3. 双脚固定于鞋部后，先固定膝盖下方的绑带，随后固定膝盖上方及大腿上部的绑带。注意避免绑带下衣物褶皱，以防产生不必要的摩擦或压力接触点。最后固定下胸部和上胸部的绑带。
  3. 当受试者被绑带固定于装置中后，应检查其身体是否存在不适当的接触、衣物褶皱或压力点。
    1. 一旦发现压力点，应通过调整贴合度以及适当增减衬垫来缓解压力。
      注意：应在坐姿、站姿以及行走数步后分别检查贴合情况。受试者在站立和行走后可能发生轻微位移，可能产生新的接触点，需通过再次检查予以识别。

4. 站立

注意：站立操作程序由该设备的制造商制定，不同外骨骼系统之间的程序可能有所差异。临床医生应参考制造商提供的操作流程。

  1. 调试完成后，向参与者介绍外骨骼的总体功能，讲解该设备专用的控制器。告知参与者，其目标是尽可能独立地使用外骨骼。说明独立性的实现需要通过学习掌握设备的各项功能，并明确实现独立存在短期和长期目标。
    注意：训练初期由操作员使用控制器启动动力外骨骼的期望动作，但重要的是应尽早让使用者了解设备及其工作方式。一旦使用者在外骨骼中感到舒适，即应由其自主操作控制器，启动自身动作。
  2. 为参与者配备一副前臂拐杖，以协助在外骨骼使用过程中的平衡与移动。当参与者坐在外骨骼中时，指导其将拐杖尖端向后放置，以便能够将身体重量前移至足部。这可确保外骨骼在站立动作中有效伸展髋关节和膝关节，承担大部分负荷。
    注意：在使用设备进行所有动作（包括站立、行走、转向和坐下）时均需使用拐杖。禁止参与者在无拐杖辅助的情况下使用外骨骼。部分动力外骨骼可能允许使用助行器或手杖来维持平衡。
  3. 向参与者讲解由坐到站的操作流程。安排一名训练员在使用者后方提供协助，另一名在前方进行保护。指导参与者尽可能自主站立，仅在必要时接受训练员的辅助。
    1. 指导参与者将拐杖置于后方，在按下"站立"指令后，身体前倾并借助拐杖推力协助设备完成站立动作。
      注意：初期应鼓励使用者专注于正确放置拐杖，同时由训练员使用控制器启动动力外骨骼完成站立。

5. 静态平衡

注意：站立平衡测试程序由JJPVAMC的研究人员开发。某些步骤可能与所使用的设备特定相关，但大多数步骤应可适用于其他动力外骨骼系统。

  1. 在由一名训练员从后方保护的情况下站立后，让第二名训练员站在使用者前方，示范站立平衡目标。
    注意：在站立后以及训练过程中定期测量血压，以判断使用者是否出现体位性低血压或自主神经反射异常发作。
  2. 在尝试行走之前，确保参与者具备以下能力：
    1. 让参与者使用双侧拐杖在"home"位置保持站立平衡（图1）。
      注意：在参与者前方放置一面镜子，以提供视觉反馈，帮助纠正不当倾斜，并维持其在"home"位置的直立平衡。
    2. 让参与者练习轻微地向侧方和后方转移重心，以理解并感受“home”位置的位置与体感。
    3. 指导参与者仅使用单侧拐杖维持平衡（图2）。指导参与者将一侧拐杖抬离地面，并保持该姿势最长1分钟，练习此动作。同时指导参与者进行另一项单手平衡训练。
      注意：该动作为前述动作的进阶，增加了复杂性——一侧手臂维持平衡的同时，对侧手臂需越过身体去触碰平衡侧手腕，模拟控制器上的操作选择。
      1. 重复这些练习，确保参与者能够使用任一侧手臂完成这些动作。
    4. 在练习完站立拐杖平衡技能后，教导参与者进行侧向重心转移，使一侧下肢卸力，目标是将足部完全抬离地面并维持5秒。指导使用者重复该练习，并尝试用另一侧下肢进行卸力。
    5. 要求参与者在前后方向上转移重心，同时正确地将拐杖置于前方和后方以维持平衡。
    6. 在首次训练 session 中重复练习5.2.2至5.2.5步骤五到十次。在后续的训练 session 中持续练习，直至使用者对此感到自如。

6. 行走

注意：行走操作流程结合了JJPVAMC工作人员与设备制造商所开发的方法。由制造商开发了动力外骨骼内置的行走机制以及设备所采用的双拐行走模式；然而，指导参与者如何正确执行行走、提供辅助的方法以及用于记录辅助程度的结局评估指标，则由JPVAMC的研究人员完成。尽管部分操作流程针对所使用动力外骨骼的具体型号，但大多数流程可适用于其他使用拐杖维持平衡的动力外骨骼系统。

  1. 向参与者讲解使用动力外骨骼行走的机制。所使用的特定动力外骨骼要求参与者在将体重转移到左脚的同时，卸去右脚的负重。通过控制器，培训人员选择 "行走" 模式，并要求参与者向前移动一小段距离（至预设目标位置）；这将引发右腿的前向摆动。
    1. 指导使用者在右腿完成摆动后，将拐杖向前移动，同时将身体重心前移并向右侧转移，以在右脚踏出时保持平衡，并减轻左脚负重。解释该设备在感知到参与者的动作后，将启动左腿的向前摆动。
    2. 通过连续重复每条腿的向前拐杖移动和重心转移动作，进行持续行走。
  2. 鼓励培训师根据需要提供协助，但应尽量减少干预。
    注意：辅助程度由功能独立性评定量表（FIM）确定38由培训人员进行评估并记录。
    1. 必要时，通过抓握动力外骨骼或参与者以提供支撑。在用户行走过程中进行正确的重心转移时，给予纠正指导。
    2. 如有需要，可安排第二位训练员在用户感觉功能完好的身体部位（如肩部）提供协助和战术反馈。
      注意：不建议训练人员通过动力外骨骼或在损伤水平以下提供辅助，因为使用者通常无法感知此类辅助，这可能导致其难以学会调整上半身以在外骨骼装置中正确行走。
  3. 向使用者解释动力外骨骼停止行走的机制。所使用的特定动力外骨骼在检测到对侧肢体不再有向前运动，或使用者未进行适当的重心转移以使摆动腿接触地面时，便会触发停止行走动作。
    注意：自主停止或在特定位置停止是训练项目中练习的内容之一，属于训练包含的技能。

7. 移动训练的渐进目标

注意：移动训练的目标由JJPVAMC制定，并已被制造商纳入评估使用者在家庭环境中熟练操作动力外骨骼的标准之中。

  1. 讲解并描述训练中需要练习的移动技能列表（图3）。
    1. 指导参与者使用动力外骨骼的控制器，并尽可能独立地操作动力外骨骼。
      注：本试验中所使用动力外骨骼的控制装置集成于佩戴在手腕上的控制器中。
    2. 教授参与者在系统中行走时完成90度和180度转向的方法。
    3. 指导参与者通过在墙边停下并转身，使背部靠墙的方式，利用墙壁进行休息。
      注：此方法可使使用者在无需依赖拐杖维持平衡的情况下进行休息。
    4. 在训练过程中引入不同类型的行走表面，使参与者练习在地毯（图4）、混凝土、沥青和草地（图5）等表面上行走。
    5. 让参与者在具有不同坡度的表面上行走，例如上坡斜坡、下坡斜坡、路缘坡道以及不平整表面（图6）。随后，让参与者在嘈杂环境中行走，例如有其他行人的走廊。
      注：对某些人而言，在嘈杂环境中行走可能具有挑战性，因为他们无法听到电机运转的声音，而该声音通常可作为正确进行重心转移的听觉提示。
    6. 让参与者根据指令或自主决定停止行走。
    7. 练习通过门框门槛、开关摆动门、从不同侧开关门，以及穿过自动门和/或旋转门（图7 和 图8）。
      注：这些附加移动技能的完成能力将被评估为"能够"或"无法"完成该动作。
    8. 加入其他活动，例如伸手越过头顶打开橱柜（图9），或在公园长椅上坐下及从长椅上站起（图10）。

8. 步行能力评估

注意：所使用的步行评估是其他研究者已建立的标准临床测试。

  1. 进行6分钟步行测试（6MWT）。
    1. 让受试者开始行走，并指导其持续行走。
    2. 6分钟后，要求受试者停止行走。
      注意：6MWT39,40是指受试者在6分钟内使用动力外骨骼能够行走的距离。若受试者在测试过程中意外触发设备停止行走，计时仍继续，应鼓励受试者尽快恢复平衡与状态，并重新启动设备以继续行走。
  2. 进行该测试时，需配备一名专职保护员，以及另一名使用测距轮测量行走距离、并用秒表记录耗时的训练员。
  3. 将6MWT结果以6分钟内行走的米数表示，并计算平均步行速度（6分钟内行走的总米数 ÷ 360秒），单位为m/sec。
    注意：6MWT是在6分钟计时内所行进的总距离，该数据在训练过程中获取。6MWT是评估外骨骼中步行技能进展的主要指标。一旦受试者掌握动力外骨骼的行走机制并能够连续迈步，即可进行6MWT测试。
  4. 在6MWT过程中，每当行走满10米时，使用秒表的圈数功能记录该段10米所用时间，并识别和记录6MWT中最佳的10米步行时间。
    注意：10米步行测试（10MWT）40是指受试者以最大努力完成10米行走所需的时间（秒），该时间在进行6MWT过程中同步记录。
  5. 使用计时起立行走测试（timed-up-and-go, TUG）40,41作为评估个体站立、行走、转身和坐下功能的指标。
    1. 进行TUG测试时，测量受试者从坐位站起、行走10英尺、转身、走回并重新坐下的全过程所用时间。计时从受试者启动设备开始站立时开始，到其安全坐回座位时结束。
      注意：由于该测试包含了在模式选择器提示站立后进行正确拐杖定位所需的时间，因此测试结果不能代表传统的TUG时间。TUG测量反映的是个体使用外骨骼系统的能力，因为它综合了设备中多种移动功能的表现。

9. 坐姿

注意：坐下的操作步骤由设备制造商制定，不同外骨骼系统之间的步骤可能有所差异。临床医生应参考制造商提供的操作流程。

  1. 当使用者准备坐下时，在其身后放置一把椅子。使用外骨骼控制器，将外骨骼置于坐姿模式。
    注意：在动力外骨骼的坐下行进过程中，最初由训练员操作控制器；但与站立动作一样，在训练计划早期应尽快向使用者介绍控制器，并使其了解其功能。当使用者在设备中感到舒适后，应要求其自行操作控制器并启动动作。
  2. 激活/按下坐下指令后，有5秒延迟。在此期间，要求参与者将拐杖置于身体后方，以保持重心位于椅子上方。如果这是使用者最初几次执行坐姿功能，应让其练习拐杖的放置动作。5秒延迟结束后，外骨骼将使用者缓慢下降，直至其坐到椅子上。
  3. 在坐下过程中，使用者会开始在髋部向前弯曲，以保持足部上方的平衡。训练员应根据需要提供协助。
    注意：最初练习坐下动作时，应配备两名训练员，一人在后方保护，另一人在前方观察。随着使用者对该动作掌握熟练，并能自信、独立地完成动作后，仅需一名训练员即可。

10. 脱卸

注意：脱卸程序由该设备的制造商制定。不同设备的动力外骨骼脱卸方法可能有所差异。临床医生应参考制造商提供的操作流程。

  1. 就座后，以与第三节所述穿戴设备相反但类似的方式脱下设备。
    1. 先解开胸部和髋部的绑带，然后依次松开脚部绑带，将参与者的双脚从设备中取出。鼓励参与者尝试自行转移到轮椅上，但根据需要提供协助。
  2. 回到轮椅后，检查参与者的足部、下肢及下背部是否有瘀伤或擦伤。
  3. 指导参与者在每次步行训练结束后，定期检查下肢是否出现受压迹象。

结果

在整个训练过程中获取以下测量指标。双手持拐和单手持拐的平衡能力分别评估1分钟，判断是否“能够”或“不能”维持平衡（图2）。步行能力的评估通过6分钟步行测试（6MWT）、10米步行测试（10MWT）和计时起走测试（TUG）在训练过程中持续进行。在常见地面上使用外骨骼辅助行走的能力在室内（图3和图4）及室外（图5-6）进行测试。其他移动技能，如通过门道（图7和图8）、伸手越过头顶打开橱柜（图9）以及在公园长椅上户外就座（图10），均评估为“能够完成”或“不能完成”。

前60次训练中每10次为一个区间的10米步行测试（10MWT）的平均步行速度如图所示（图11）。该图显示，参与者在初次使用动力外骨骼时的基础能力各不相同，且个体之间的改善速率也存在差异。最佳拟合直线斜率的平均值±标准差为0.0048 ± 0.004 m/sec，数值范围为0.00026至0.015 m/sec。这表明尽管每位参与者的改善速率不同，但平均每次训练步行速度提高0.0048 m/sec。最佳拟合直线截距的平均值±标准差为0.16 ± 1.8 m/sec，数值范围为-0.026至0.50 m/sec。这表明参与者平均初始步行速度为0.16 m/sec；部分参与者在训练初期几乎无法行走，而另一些参与者则在早期即表现出较强的行走能力。

训练员的协助程度会影响操作表现；需要更多协助的使用者在使用系统时行走速度较慢，而操作更熟练且独立的使用者则行走速度较快18三项步行测试的测量结果虽然相似，但提供了不同的能力信息。10米步行测试（10MWT）反映了使用者在设备中行走时所能达到的最佳步行速度（m/sec）。6分钟步行测试（6MWT）所行走的距离换算为米/秒（m/sec）后，可提供平均步行速度，用以评估在外骨骼中行走的持续性和稳定性。由于计时在使用者意外停止行走时仍持续进行，因此6MWT所得速度越接近10MWT的最佳速度，表明该使用者行走越连贯、停顿越少。计时起立行走测试（TUG）则需要连续完成多项动作，综合评估使用者在动力外骨骼中完成从坐位站起、行走、转身、停止及返回坐下的整体能力。关于6MWT、10MWT和TUG测量方法的综述此前已有Yang的描述。18 并以如下形式呈现 表1 以及参与者的患者人口统计学信息。

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图1. 双手持拐杖平衡。 本图展示一个人静止站立并用双拐保持平衡的状态。请点击此处查看此图的放大版本。

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图2. 单手拐杖平衡。 本图展示一个人静止站立，仅用一支拐杖保持平衡。 请点击此处查看此图的放大版本。

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图3. 在室内光滑表面上行走。 本图展示一个人在室内平坦表面上行走的情况。请点击此处查看此图的放大版本。

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图4. 在地毯上行走。 本图展示一个人在室内地毯表面上行走的情景。请点击此处查看此图的放大版本。

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图5. 在草地上户外行走。 本图展示一个人在户外草地上行走的情景。 请点击此处查看此图的放大版本。

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图6. 在斜坡上行走。 本图展示一个人在户外沿路缘坡道下行行走的情景。请点击此处查看此图的放大版本。

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图7. 进出电梯。 本图展示一个人从限时开启的门（例如电梯门）走出的场景。请点击此处查看此图的放大版本。

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图8. 走出旋转门。 该图展示一个人走出旋转门的情景。请点击此处查看此图的放大版本。

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图9. 高柜与操作台面取物。 本图展示一个人从高柜中取出物品的情景。 请点击此处查看此图的放大版本。

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图10. 坐在公园长椅上。 该图展示一个人坐在公园长椅上的场景。请点击此处查看此图的放大版本。

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图11. 十次为一组的10米步行测试平均速度。 数据展示了训练前60次会话中每十个会话为一组的10米步行测试（10MWT）速度的平均值。横轴表示训练会话，纵轴表示根据参与者在训练会话中获得的10MWT结果计算出的平均速度（m/sec）。为每位参与者的数据叠加了线性最佳拟合线。请点击此处查看该图的放大版本。

人口统计学特征步行测试（WT）与辅助水平（LOA）
SID年龄
(y)		身高
(cm)		体重
(kg)		性别损伤时间
(y)		损伤节段AIS10米步行测试6分钟步行测试TUG (LOA)评估
会话 
(秒)(米/秒)(米)(米/秒)(秒)
13417366.7男性9T4B390.26900.2583最小辅助89
24816868男性4T10A620.16510.14NP最小辅助18
34418377.1男性4.5T4A200.502090.5856中等辅助63
45816064.4女性1.5C8/T8A (NT)240.421390.3959中等辅助 43
56117572.6男性14T11A230.441370.3866中等辅助 37
62418574.8男性5T5A560.18600.17NP最小辅助12
74018388.5男性1.5T1B610.16510.1470完全辅助102
85617583.9男性3T9A220.461510.42116完全辅助51
95018399.8男性11T7A170.592080.5856中等辅助56
103717065.8男性6T2A220.461500.4263最小辅助59
116417372.8男性3T2A780.13460.13NP中度辅助28
123715265.8女性19C8C (NT)140.712560.7142中等辅助 39

表1. 参与者特征及步行测试结果。 SID=受试者编号；y=年；cm=厘米；kg=千克；DOI=损伤持续时间；LOI=损伤平面；AIS=美国脊髓损伤协会损伤分级；LOA=辅助水平；s=秒；m=米；NP=未执行；NT=非创伤性脊髓损伤。LOA根据功能独立性评定量表（FIM）进行调整，分为以下等级：中等辅助（Mod）——受试者完成任务的50%至74%；最小辅助（Min）——受试者完成任务的75%或以上；监护（S）——训练员不接触受试者，但处于可及时提供平衡支持或指导的范围内；改良性独立（MI）——训练员不提供任何辅助，受试者在使用设备行走时完全独立。经Thomas Land Publishers, Inc.授权重印，引自Yang A, Asselin P, Knezevic S, Kornfeld S, Spungen A. 脊髓损伤患者在医院内使用动力外骨骼行走速度及辅助水平的评估. Top Spinal Cord Inj Rehabil. 2015; 21(2):100-109. 版权 (C) 2015 Thomas Land Publishers, Inc.

讨论

在过去五年中，我们团队为需要使用拐杖的有源外骨骼设备的使用者开发了一套成功的筛查与培训方案。我们已培训过运动功能完全性瘫痪以及不完全性瘫痪的个体。该培训方案有望进一步调整并拓展应用于其他需要使用拐杖的新型设备，或现有设备的升级版本。

标准化培训方案对于确保参与者安全、设备的有效使用、明确人员资源配置以及获得一致的结果至关重要。一个良好的培训方案的关键要点包括：恰当的候选人筛选、设备的正确适配、合理的技能进阶，以及在肩部或感觉完好的区域提供辅助，使使用者能够感知所需的力度和动作，从而在后续的迈步动作中调整自身的运动模式。 Trainer 与使用者之间需要进行这种策略性的配合练习，以尽量减少 Trainer 的辅助，帮助使用者在设备使用中获得熟练度和独立性。Trainer 应避免在参与者感觉缺失的区域以下提供辅助，因为这种做法会妨碍其在外骨骼设备中实现独立行走。提高步行技能的另一个关键点是让参与者在不同表面和环境中进行步行挑战。参与者普遍认为，在医疗中心内平坦光滑的地面上行走比在铺有地毯的地面上行走更容易。而铺有地毯的地面行走又比在户外不平整的路面（如混凝土或沥青路面）上行走更容易。在不同坡度的斜坡上上下行走时，参与者必须调整其步行策略，因为坡度改变了身体的平衡中心，使得重心转移变得更加困难。所有这些具有挑战性的环境在日常社区生活中都很常见，因此在受控环境下进行充分练习，对正确准备参与者适应真实场景至关重要。

已有若干报告指出，脊髓损伤患者在学会使用动力外骨骼后，能够安全地在地面上行走16-19,21,36。这些报告中的许多参与者下肢残存功能或感觉极轻微甚至完全缺失。这些研究中未报告严重不良事件，且认为在经过适当训练后使用这些设备是安全的。所报告的不良事件包括皮肤擦伤、皮肤瘀伤或发红，以及上肢疲劳，尤其是在初期训练阶段16,19,36。研究注意到，随着持续训练，参与者上肢疲劳感减轻，皮肤擦伤在设备更贴合后也迅速消退。通过调整绑带以及在受影响区域周围策略性地增加衬垫，可避免后续出现瘀伤和皮肤发红。

使用该设备的熟练程度由实现更快速行走、减少辅助需求以及在不同环境中安全行走的能力来确定。既往关于行走能力的报道显示，独立性较高的个体行走速度较快，而需要辅助的个体行走速度较慢。van Hedel 的一项报告指出 等 将行走者分类为 "助行器" 如果他们能够以至少 0.44 ± 0.14 m/sec 的速度行走；该速度与选择在户外行走时借助辅助工具而非使用轮椅的人群相关42该步行速度与脑卒中患者中有限社区行走者报告的0.40 m/sec步行速度相似。43 尽管仅有少数研究报道了使用机器人外骨骼时的行走速度和辅助水平，但这些研究表明，许多参与者能够达到既往报告中提到的0.40 m/sec步行速度。一项使用动力外骨骼的研究显示，12名参与者中有7名的行走速度超过了0.40 m/sec。18另一项使用不同动力外骨骼的研究表明，在16名参与者中，有6人成功实现了超过0.40 m/sec的步行速度。36尽管有报告使用了第三种动力外骨骼，但尚未实现0.40 m/sec的行走速度22,44，未来的研究可能会显示，通过进一步训练和/或对该设备进行改进，行走速度有望提高。迄今为止，所有使用动力外骨骼的研究均报告指出，需要更高程度辅助的使用者行走速度较慢。这些报告中讨论的一个观点是，尽管部分受试者的行走速度未达到0.40 m/sec以上，但他们仍能够以该水平进行行走 "监督" 根据FIM量表的定义。这些报告表明，通过额外的训练或对设备进行改进，可能实现以这些更快速度行走。

通过耗氧量测量的能量消耗已被证实，在使用外骨骼辅助行走时会增加，但并未超过导致过度疲劳的阈值。八名参与者以平均0.22 ± 0.11 m/sec的速度在动力外骨骼中行走，其行走时的耗氧量为11.2 ± 1.7 ml/kg/min，心率为118 ± 21 bmp（相当于心率储备的48% ± 16%），这两项指标均显著高于静坐和站立状态17，但显著低于预测的最大值。另一项研究使用了不同的动力外骨骼，评估了5名参与者在两次行走过程中的耗氧量，结果显示：以0.19 ± 0.01 m/sec速度行走时耗氧量为9.5 ± 0.8 ml/kg/min，以0.27 ± 0.05 m/sec速度行走时为11.5 ± 1.4 ml/kg/min21。这两项研究均表明，参与者以中等强度行走时的运动强度已超过美国运动医学会（American College of Sports Medicine）所确定的、对心肺功能有益的最低训练强度阈值45。这表明这些设备有可能被长时间使用，提供一种规律性的活动形式，长期坚持可能有助于改善使用者的体能、身体成分及血脂谱。

对于上肢功能正常的个体，动力外骨骼可提供一种改良的独立性（根据FIM定义的六级），用于站立和地面行走。未来的设备可能被设计为以更快速度行走，或具备更灵活地调节期望行走速度的能力。未来的外骨骼还可能针对手部和手臂功能受限者（如四肢瘫痪患者）进行设计，通过增加躯干支撑来维持使用者的平衡，并采用除手扶拐杖以外的其他机制来维持平衡。脑控技术的进步未来或许可用于控制行走动作20。在这一新兴领域中，本文所介绍的基本训练理念可能适用于当前及未来的动力外骨骼系统，但应根据使用者个体情况及所使用的外骨骼设备进行个性化调整。

目前采用标准化的训练策略来实现脊髓损伤患者在外骨骼辅助下的成功行走；未来这些设备的改进可能需要对现有训练范式进行相应调整。为了确保这些设备的持续应用和临床处方，有必要培训合格的脊髓损伤医疗专业人员，使其能够恰当地指导脊髓损伤患者进行外骨骼辅助行走。这些设备的前景广阔；随着全球各地医疗和康复中心建立相应的培训项目，脊髓损伤患者使用动力外骨骼的情况将变得更加普遍。此外，未来的研究可能会证实，定期进行外骨骼辅助行走有助于改善与脊髓损伤导致的失能和瘫痪相关的多种继发性医学并发症。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究工作得到了美国退伍军人事务部康复研究与发展国家脊髓损伤医疗后果卓越中心（VA RR&D #B9212C）的支持。所使用的四台动力外骨骼设备中有两台由以色列Rewalk Robotics公司（美国马萨诸塞州马尔伯勒）免费提供试用。此外，部分参与者所使用的矫形鞋由美国Aetrex Worldwide公司（新泽西州蒂内克）捐赠。

在培训项目期间，Denis Doyle-Green 提供的帮助极为宝贵，我们对此表示感谢。我们还要感谢詹姆斯·J·彼得斯退伍军人医疗中心康复科及脊髓损伤科的物理治疗师们，感谢他们提供的建议和咨询。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
动力外骨骼，例如 ReWalk、Ekso、REX 和 Indego etc.
洛夫兰德拐杖
舒适的运动鞋

参考文献

  1. Kamenetz, H. L. A brief history of the wheelchair. Journal of the history of medicine and allied sciences. 24, 205-210 (1969).
  2. Nene, A., Patrick, J. Energy cost of paraplegic locomotion with the ORLAU ParaWalker. Spinal Cord. 27, 5-18 (1989).
  3. Massucci, M., Brunetti, G., Piperno, R., Betti, L., Franceschini, M. Walking with the advanced reciprocating gait orthosis (ARGO) in thoracic paraplegic patients: energy expenditure and cardiorespiratory performance. Spinal Cord. 36, 223-227 (1998).
  4. Ijzerman, M., et al. The influence of the reciprocal cable linkage in the advanced reciprocating gait orthosis on paraplegic gait performance. Prosthetics and Orthotics International. 21, 52-61 (1997).
  5. Kawashima, N., Taguchi, D., Nakazawa, K., Akai, M. Effect of lesion level on the orthotic gait performance in individuals with complete paraplegia. Spinal Cord. 44, 487-494 (2006).
  6. Solomonow, M., et al. The RGO Generation II: muscle stimulation powered orthosis as a practical walking system for thoracic paraplegics. Orthopedics. 12, 1309-1315 (1989).
  7. Nene, A., Hermens, H., Zilvold, G. Paraplegic locomotion: a review. Spinal Cord. 34, 507-524 (1996).
  8. Durfee, W. K., Rivard, A. Preliminary Design and Simulation of a Pneumatic, Stored-Energy, Hybrid Orthosis for Gait Restoration. ASME 2004 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, , American Society of Mechanical Engineers. 235-241 (2004).
  9. Goldfarb, M., Korkowski, K., Harrold, B., Durfee, W. Preliminary evaluation of a controlled-brake orthosis for FES-aided gait. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11, 241-248 (2003).
  10. Hughes, J. Powered lower limb orthotics in paraplegia. Paraplegia. 9, 191(1972).
  11. Nene, A., Patrick, J. Energy cost of paraplegic locomotion using the ParaWalker--electrical stimulation" hybrid" orthosis. Arch Phys Med Rehabil. 71, 116(1990).
  12. McClelland, M., Andrews, B., Patrick, J., El Masri, W. Augmentation of the Oswestry Parawalker orthosis by means of surface electrical stimulation: gait analysis of three patients. Spinal Cord. 25, 32-38 (1987).
  13. Vukobratovic, M., Hristic, D., Stojiljkovic, Z. Development of active anthropomorphic exoskeletons. Medical and Biological Engineering and Computing. 12, 66-80 (1974).
  14. Stein, J., Bishop, L., Stein, D. J., Wong, C. K. Gait Training with a Robotic Leg Brace After Stroke: A Randomized Controlled Pilot Study. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation. 93, 987-994 (2014).
  15. Bortole, M., et al. The H2 robotic exoskeleton for gait rehabilitation after stroke: early findings from a clinical study. Journal of neuroengineering and rehabilitation. 12, 54(2015).
  16. Zeilig, G., et al. Safety and tolerance of the ReWalk exoskeleton suit for ambulation by people with complete spinal cord injury: A pilot study. Journal of Spinal Cord Medicine. 35, 96-101 (2012).
  17. Asselin, P., et al. Heart rate and oxygen demand of powered exoskeleton-assisted walking in persons with paraplegia. JRRD. 52, 147-158 (2015).
  18. Yang, A., Asselin, P., Knezevic, S., Kornfeld, S., Spungen, A. Assessment of In-Hospital Walking Velocity and Level of Assistance in a Powered Exoskeleton in Persons with Spinal Cord Injury. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation. 21, 100-109 (2015).
  19. Kolakowsky-Hayner, S. A., Crew, J., Moran, S., Shah, A. Safety and feasibility of using the EksoTM bionic exoskeleton to aid ambulation after spinal cord injury. J Spine. S4, (2013).
  20. Kilicarslan, A., Prasad, S., Grossman, R. G., Contreras-Vidal, J. L. High accuracy decoding of user intentions using EEG to control a lower-body exoskeleton. Engineering in medicine and biology society (EMBC), 2013 35th annual international conference of the IEEE, , IEEE. 5606-5609 (2013).
  21. Evans, N., Hartigan, C., Kandilakis, C., Pharo, E., Clesson, I. Acute Cardiorespiratory and Metabolic Responses During Exoskeleton-Assisted Walking Overground Among Persons with Chronic Spinal Cord Injury. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation. 21, 122-132 (2015).
  22. Kozlowski, A., Bryce, T., Dijkers, M. Time and Effort Required by Persons with Spinal Cord Injury to Learn to Use a Powered Exoskeleton for Assisted Walking. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation. 21, 110-121 (2015).
  23. Farris, R. J., et al. A preliminary assessment of legged mobility provided by a lower limb exoskeleton for persons with paraplegia. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 22, 482-490 (2014).
  24. Farris, R. J., Quintero, H. A., Goldfarb, M. Performance evaluation of a lower limb exoskeleton for stair ascent and descent with Paraplegia. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the IEEE, , IEEE. 1908-1911 (2012).
  25. Aach, M., et al. Voluntary driven exoskeleton as a new tool for rehabilitation in chronic spinal cord injury: a pilot study. The spine journal : official journal of the North American Spine Society. 14, 2847-2853 (2014).
  26. Kubota, S., et al. Feasibility of rehabilitation training with a newly developed wearable robot for patients with limited mobility. Arch Phys Med Rehabil. 94, 1080-1087 (2013).
  27. Wall, A., Borg, J., Palmcrantz, S. Clinical application of the Hybrid Assistive Limb (HAL) for gait training-a systematic review. Frontiers in systems neuroscience. 9, (2015).
  28. Bauman, W., et al. Effect of Pamidronate Administration on Bone in Patients with Acute Spinal Cord Injury. J Rehabil Res Dev. 42, 305-313 (2005).
  29. Bauman, W. A., et al. Zoledronic acid administration failed to prevent bone loss at the knee in persons with acute spinal cord injury: an observational cohort study. Journal of bone and mineral metabolism. , 1-12 (2014).
  30. Bauman, W., Spungen, A., Wang, J., Pierson, R. Jr, Schwartz, E. Continuous Loss of Bone During Chronic Immobilization: A Monozygotic Twin Study. Osteoporos Int. 10, 123-127 (1999).
  31. Garland, D., Adkins, R., Stewart, C. Fracture threshold and risk for osteoporosis and pathologic fractures in individuals with spinal cord injury. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation. 11, 61-69 (2005).
  32. Eser, P., Frotzler, A., Zehnder, Y., Denoth, J. Fracture threshold in the femur and tibia of people with spinal cord injury as determined by peripheral quantitative computed tomography. Arch Phys Med Rehabil. 86, 498-504 (2005).
  33. Lazo, M., et al. Osteoporosis and risk of fracture in men with spinal cord injury. Spinal cord. 39, 208-214 (2001).
  34. Yarkony, G. M., Bass, L. M., Keenan, V., Meyer, P. R. Contractures complicating spinal cord injury: incidence and comparison between spinal cord centre and general hospital acute care. Spinal Cord. 23, 265-271 (1985).
  35. Richardson, R. R., Meyer, P. R. Prevalence and incidence of pressure sores in acute spinal cord injuries. Spinal Cord. 19, 235-247 (1981).
  36. Hartigan, C., et al. Mobility Outcomes Following Five Training Sessions with a Powered Exoskeleton. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation. 21, 93-99 (2015).
  37. Maynard, F. M., et al. International standards for neurological and functional classification of spinal cord injury. Spinal cord. 35, 266-274 (1997).
  38. Granger, C. V., Hamilton, B. B., Linacre, J. M., Heinemann, A. W., Wright, B. D. Performance profiles of the functional independence measure. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation. 72, 84-89 (1993).
  39. Guyatt, G. H., et al. The 6-minute walk: a new measure of exercise capacity in patients with chronic heart failure. Canadian Medical Association Journal. 132, 919(1985).
  40. van Hedel, H. J., Wirz, M., Dietz, V. Assessing walking ability in subjects with spinal cord injury: validity and reliability of 3 walking tests. Arch Phys Med Rehabil. 86, 190-196 (2005).
  41. Podsiadlo, D., Richardson, S. The timed "Up & Go": a test of basic functional mobility for frail elderly persons. Journal of the American geriatrics Society. 39, 142-148 (1991).
  42. van Hedel, H. J. Gait speed in relation to categories of functional ambulation after spinal cord injury. Neurorehabilitation and neural repair. 23, 343-350 (2009).
  43. Perry, J., Garrett, M., Gronley, J. K., Mulroy, S. J. Classification of walking handicap in the stroke population. Stroke. 26, 982-989 (1995).
  44. Kressler, J., et al. Understanding therapeutic benefits of overground bionic ambulation: exploratory case series in persons with chronic, complete spinal cord injury. Arch Phys Med Rehabil. 95, 1878-1887 (2014).
  45. Pollock, M. L., et al. ACSM position stand: the recommended quantity and quality of exercise for developing and maintaining cardiorespiratory and muscular fitness, and flexibility in healthy adults. Med Sci Sports Exerc. 30, 975-991 (1998).

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