中風后下肢運動障礙的康復訓練，一直是件"苦力活"。治療師需要徒手搬動患者的腿，一邊矯正步態一邊喊節奏，體力消耗極大，而且一個人的兩只手，很難同時精準控制患者多個關節

近日，來自美國西北大學和芝加哥Shirley Ryan AbilityLab的研究團隊，在國際權威期刊《Science Robotics上》發表了一項重要方案——治療師-外骨骼-患者交互（TEPI）：讓治療師和患者面對面，各穿一套下肢外骨骼，兩套設備之間通過虛擬彈簧-阻尼器在髖關節和膝關節級別"連"起來。治療師只需正常邁步，力就會通過虛擬連接傳遞給患者；反過來，患者的運動狀態也會以觸覺反饋的形式"回傳"給治療師。

簡單說，兩個人穿著外骨骼，像"隔空牽手"一樣一起走

01.

核心思路：把治療師的"直覺"變成可傳遞的力

目前外骨骼輔助步態訓練的主流策略有兩種："按需輔助"（assist-as-needed）和"誤差放大"（error augmentation）。前者讓機器把患者的腿拖到預設軌跡上，后者故意放大偏差讓患者自己糾正。問題在于，這兩種方式都把治療師架空了——參考軌跡往往是離線計算的健康人步態，無法實時響應患者的狀態變化，治療師也難以介入外骨骼的行為。

TEPI的思路完全不同。它不預設任何參考軌跡，治療師本人就是"活的參考軌跡"。通過虛擬彈簧-阻尼器，治療師的髖/膝關節運動實時映射為患者外骨骼上的引導力矩。治療師可以根據觸覺反饋感受到患者當前的關節偏差，然后動態調整自己的步幅和節奏來引導矯正。

研究使用的是兩臺傅利葉智能（Fourier Intelligence）的ExoMotus-X2下肢外骨骼，每臺有4個主動自由度（雙側髖、膝），踝關節為被動扭簧。兩臺設備通過外部PC以333 Hz的頻率運行閉環交互力矩控制器，渲染出虛擬彈簧-阻尼連接。由于治療師和患者面對面站立，連接是"鏡像"的——治療師的左腿對應患者的右腿，這與臨床中常用的鏡像療法邏輯一致。

虛擬連接的剛度可以為患者側和治療師側分別獨立調節：患者側剛度范圍為49–64 Nm/rad，治療師側為25–64 Nm/rad，由治療師根據每位患者的功能狀態和訓練進展在塊間調整。

02.

實驗：8名慢性中風患者，兩種訓練各30分鐘

研究招募了8名慢性偏癱中風患者（平均年齡60.1 ± 15.2歲，中風后時間3–21年，自選步速0.58–1.10 m/s），采用被試內設計，每人在不同日期分別完成TEPI和傳統手動治療（CMT）各一次，順序隨機平衡。每次訓練為跑步機上以0.2 m/s行走30分鐘（3個10分鐘塊，塊間休息約3分鐘）。同一名持證物理治療師負責所有患者的兩種訓練。

CMT條件下，治療師坐在跑步機前方，用手輔助患者腿部運動，符合傳統的體重支持跑步機訓練范式。TEPI條件下，雙方穿外骨骼面對面行走，治療師同時通過視覺、聽覺和觸覺通道與患者互動。

結果相當明確。

在空間步態指標上，TEPI全面優于CMT。患側踝關節工作空間面積：TEPI為221.9 ± 132.1 cm2，CMT僅為44.9 ± 32.2 cm2（P = 0.03）——差了近5倍。健側同樣如此：TEPI 236.5 ± 133.5 cm2 vs. CMT 71.8 ± 36.9 cm2（P = 0.02）。步長方面，患側TEPI為31.7 ± 3.5 cm，CMT為23.0 ± 6.8 cm（P < 0.01）；步高方面，患側TEPI為50.5 ± 10.0 cm，CMT為34.4 ± 10.0 cm（P = 0.02）。所有比較均經Holm-Bonferroni校正。

更值得注意的是，這種改善在30分鐘的訓練中持續穩定，沒有隨時間下降，說明患者能夠在整個訓練期間跟隨治療師的運動模式。

03.

不是"被動搬腿"：患者始終在主動參與

一個關鍵疑問是：外骨骼在輔助，患者會不會變成"被拖著走"的？

研究者通過逆動力學分析給出了明確回答。在患側膝關節擺動相，患者自身的生物力矩占總力矩的58%（健側為59%）。也就是說，即便在外骨骼提供輔助力的階段，擺動起始也并非完全由外骨骼產生，患者自身貢獻了過半的力。

在肌肉激活層面（5名患者的肌電數據），TEPI訓練期間的肌肉激活水平總體高于CMT，以自由行走為基線歸一化后，TEPI條件下股直肌激活約為160%、股二頭肌約226%、脛骨前肌約174%、腓腸肌內側頭約262%，而CMT條件下各肌群均在107%–122%之間。雖然由于樣本量限制（N=5），這些差異經多重比較校正后未達統計顯著，但趨勢一致——TEPI訓練中患者的努力程度遠高于自由行走水平，而CMT更接近基線

心率方面，TEPI略高于CMT（60.4% vs. 55.7%最大心率預測值），但差異不顯著（P = 0.29）。Borg主觀疲勞量表評分也相近（TEPI 12.2 vs. CMT 11.4，P = 0.43）。

在動機和體驗方面，基于內在動機量表（IMI）的問卷顯示，患者對TEPI訓練報告了高水平的"價值感"（7.0/7）和"趣味性"（5.9/7），與CMT無顯著差異，焦慮感維持低水平（2.1/7）。換句話說，穿外骨骼訓練并沒有讓患者覺得更緊張或更難接受

04.

局限與展望：從"可行"到"臨床落地"還有多遠

研究者很坦誠地討論了局限。首先，本研究只考察了單次訓練的即時效果，沒有評估訓練后的步態保留或功能恢復——這是下一步縱向研究需要回答的問題。其次，跑步機速度固定在0.2 m/s（遠低于患者的自選步速），是出于安全考慮的保守選擇，未來需要在更快速度下驗證。第三，當前外骨骼僅提供矢狀面髖/膝驅動，不涉及額狀面（平衡）和踝關節（蹬地推進），功能覆蓋有限。

從實際部署角度看，TEPI需要兩臺外骨骼同時運行，成本和操作復雜度是繞不開的門檻。研究者也指出，治療師僅經過40分鐘的熟悉訓練就參與了實驗，未來臨床推廣需要更系統的培訓和能力評估流程。

但這項研究最大的貢獻可能不在于具體數字，而在于它重新定義了"外骨骼"在康復中的角色。以往外骨骼要么是替代治療師的工具，要么是輔助患者的支撐。TEPI讓外骨骼變成了治療師和患者之間的"觸覺橋梁"——治療師的臨床直覺不再只能通過雙手傳遞，而是可以同時、精確、持續地作用于患者的多個關節。

正如作者在結論中所寫：這項工作旨在將物理治療師的專業知識和直覺與機器人的能力相融合，為中風后步態康復提供一個新的框架。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adz9628