重量僅為0.96 kg！可穿戴膝關節機器人，讓脊髓性肌萎縮癥患兒重獲站立能力

脊髓性肌萎縮癥（SMA）是一種常見的常染色體隱性遺傳病，每6000至10000名新生兒中約有1例發病。其中，II型SMA患兒雖能獨立坐起，但無法行走，且現有藥物僅能延緩病程，無法治愈。盡管抗阻訓練已被證實對SMA患者有益，尤其是能夠在關節全活動范圍內維持最大肌肉張力的等速訓練，然而，現有的等速訓練設備（如Biodex、IsoMed2000等）體積龐大、最小阻力過高、成本昂貴，主要服務于專業運動康復機構，難以惠及兒童SMA患者。此外，現有的下肢外骨骼機器人多旨在輔助行走，通過減少肌肉出力來提高代謝效率，反而可能抑制了需要增強肌肉激活的SMA患兒的神經肌肉適應。因此，亟需一種輕便、可定制阻力的便攜式等速訓練解決方案，以改善II型SMA患兒的生活質量。

鑒于此，北京航空航天大學的馮仰剛副教授開發了一款重量僅為0.96 kg的便攜式可穿戴膝關節機器人，集成了可變剛度機構與可反向驅動阻尼電機，可為II型SMA患兒提供安全、可調的等速抗阻訓練。在針對6名6-10歲II型SMA患兒的臨床試驗（NCT06648486）中，經過6周的機器人輔助高強度等速訓練后，患兒的下肢運動能力獲得顯著提升。他們能夠在手扶膝蓋但無需外部支撐的情況下完成坐-站轉換，平均初始坐位膝關節角度從111°改善至104°，提升了7°。同時，雙側膝關節功能顯著增強（峰值扭矩：+130%；活動范圍：+51%；做功：+97%）。此外，影像學檢查證實股四頭肌出現顯著生理性肥大（解剖橫截面積：+12%；體積：+19%；生理橫截面積：+21%），且股神經傳導功能增強（復合肌肉動作電位：+19%）。尤為重要的是，即使停止等速訓練，恢復常規理療后，患兒仍能維持這些功能獲益。相關成果以題為“Spinal neuromotor rehabilitation using a portable isokinetic training robot”發表在最新一期《nature》上，值得關注的是，5位作者，均為共同一作。

圖 1 | 利用可穿戴機器人進行等速阻力訓練，可使患有 II 型脊髓性肌萎縮癥 (SMA) 的青少年能夠獨立完成站立動作

臨床研究設計

為評估該便攜式等速訓練機器人的療效，研究團隊招募了6名非行走的II型SMA患兒（6-10歲，男女各3名），所有患兒在常規90°坐姿下無法自主完成坐-站轉換。研究分為四個階段：6周無干預期（常規理療）、6周高強度等速訓練期（干預）、6周低強度等速訓練期（隨訪1）以及超過30天無等速訓練期（隨訪2）。在干預階段，5名患兒以60°/s的角速度進行等速膝伸訓練，1名因肌力較弱采用45°/s。通過配套的移動應用進行游戲化反饋，提升患兒參與度。結果顯示，在三種訓練模式（等張、等長、等速）中，等速訓練在匹配強度下誘發了最大的股四頭肌激活（圖2b）。

圖 2 | 用于治療 II 型脊髓性肌萎縮癥 (SMA) 青少年的具有可變剛度機構的等速訓練機器人

剛度與訓練療效相關

為優化訓練依從性與療效，機器人在關節處集成了可變剛度機構，通過調節彈性元件上的支點位置（圖2e）改變剛度。研究發現，每個患兒及雙腿均存在一個“最優剛度”，在該剛度下產生的自主最大扭矩甚至高于設備最大剛度設置下的扭矩，平均高出7%（從1.77 N·m提升至1.90 N·m, p < 0.01）（圖2f）。且該最優剛度會隨患兒功能改善而動態增加，可作為個性化康復的自適應參數。

普遍的功能改善

在6周高強度等速訓練期內，所有患兒雙側膝關節功能指標均呈持續上升趨勢。峰值扭矩平均提升130%（右膝：從1.96 N·m至4.63 N·m, p < 0.01；左膝：從2.00 N·m至4.46 N·m, p < 0.01）（圖3e）；活動范圍（ROM）平均提升51%（右膝：從42.45°至66.94°, p < 0.01；左膝：從41.83°至59.95°, p < 0.01）（圖3f）；每次伸展做功平均提升97%（右膝：從1.00 J至2.23 J, p < 0.01；左膝：從1.12 J至1.97 J, p < 0.05）（圖3g）。其中，4號患兒改善最為顯著，右膝峰值扭矩增長315%（從1.44 N·m至5.97 N·m, p < 0.001），左膝增長325%（從1.46 N·m至6.20 N·m, p < 0.001）（圖3h）。所有患兒均未出現任何功能指標下降。

圖 3 | 與等速膝關節伸展訓練相關的生物力學改善

股四頭肌肥大證據

通過MRI和超聲量化評估，6周高強度等速訓練后，所有患兒股四頭肌均出現顯著肥大。大腿中段的解剖橫截面積（ACSA）平均增加12%（右腿：從8.15 cm2至9.09 cm2, p < 0.001；左腿：從8.01 cm2至9.05 cm2, p < 0.01）（圖4a, b）。肌肉體積平均增加19%（右腿：從105.09 cm3至125.60 cm3, p < 0.01；左腿：從106.74 cm3至126.80 cm3, p < 0.01）（圖4c, d）。生理橫截面積（PCSA）平均增加21%（右腿：從18.92 cm2至23.01 cm2, p < 0.01；左腿：從19.41 cm2至23.48 cm2, p < 0.01）（圖4e-g）。這些生理層面的變化為功能改善提供了直接解釋。

圖 4 | 干預后股四頭肌肥大測量

神經與肢體協調增強

為評估訓練對運動神經元的影響，研究測量了雙側股神經的復合肌肉動作電位（CMAP）。經過6周訓練，平均CMAP振幅顯著增加19%（從1.21 mV至1.44 mV, p < 0.01）（圖5a, b）。同時，反映雙側神經肌肉協調性的肢體間CMAP對稱性改善了35%（從0.70至0.94, p < 0.05）（圖5c）。這表明高激活的等速訓練促進了有益的外周神經可塑性和雙側運動協調。

圖 5 | 股神經傳導增強

隨訪期間的持續改善

在后續的低強度等速訓練及無等速訓練隨訪期內，所有功能與生理指標的獲益均得到良好維持。平均歸一化峰值扭矩在隨訪1期仍有小幅提升，并在隨訪2期保持穩定，較干預前仍有顯著差異（p < 0.05）（圖6a）。盡管部分患兒的平均ROM和歸一化做功略有下降，但仍顯著高于干預前水平（p < 0.05）（圖6b, c）。股四頭肌形態學指標（ACSA、體積、PCSA）在隨訪期內未出現顯著下降（圖6d-f）。CMAP振幅在隨訪期內同樣維持了顯著升高（圖6g）。最關鍵的是，患兒無需外部支撐的坐-站能力在干預后得到改善（平均最低初始膝角從111°降至104°, p < 0.01），并在整個隨訪期間得以保持（圖6h）。

圖 6 | 隨訪期間訓練帶來的改善效果的保持情況

總結與展望

本研究將可穿戴下肢機器人的應用領域從急性輔助行走拓展至神經肌肉康復，通過“阻力”而非“輔助”的策略，實現了II型SMA患兒持久的神經肌肉恢復。研究結果明確了高激活的等速訓練相較于低激活的傳統等長、等張訓練在促進肌力和肌肉肥大方面的顯著優勢，且排除了生長發育因素的干擾。盡管本研究的樣本量較小且設備目前僅支持向心等速膝伸訓練，但積極的成果足以支持在更大范圍的II型SMA患兒中開展長期連續等速訓練的療效研究。未來，該設備與訓練方案的設計可擴展至肘關節、髖關節，以及適用于中風等運動功能障礙人群，為更廣泛的神經肌肉疾病患者提供一種通過增強自身能力、實現持久康復的新途徑。