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1 引言
背景
想象一位因车祸导致脊髓损伤的年轻患者，尽管经过数月的传统康复训练，仍然无法独立行走。这种情况在SCI患者中并不少见，他们的生活质量因严重的运动障碍而显著下降。然而，2025年3月，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的.NeuroRestore团队在《Science Robotics》上发表了一项突破性研究（Hankov et al., 2025），展示了将脊髓电刺激（EES）与康复机器人技术相结合的潜力。这一方法不仅在实验室环境中显著改善了患者的运动功能，还使他们能够在户外进行步行和骑行等活动。这种现象引出了一个关键问题：如何通过技术创新突破传统康复的局限，促进SCI患者的神经功能恢复？
本研究提出的方案是将EES与康复机器人技术整合，通过协同作用实现更有效的康复效果。
脊髓损伤（SCI）通常导致损伤平面以下感觉和运动功能的丧失，表现为不同程度的截瘫（双下肢瘫痪）或四肢瘫痪。这类运动功能障碍严重限制了患者的日常活动能力，包括行走、站立、自理（如洗漱、穿衣）等基本生活能力，并且常伴随肌张力异常、脊髓反射障碍等问题。由此，SCI患者的独立性显著下降，抑郁焦虑等心理问题高发，生活质量（Quality of Life, QoL）明显降低 (Sandy, 2008)。研究表明，SCI后患者的身体功能受限直接影响其社会参与和心理健康，康复训练虽有助于提高功能，但多数患者长期生活质量仍远低于健康人群。
传统康复训练主要包括物理治疗（体能训练、步态训练）、功能性电刺激（FES）、机器人辅助训练等多种策略。这些方案通过重复练习步行动作、辅助支撑负重等方法，旨在通过“用进废退”促进脊髓神经网络的可塑性。然而，多项系统评价显示，对于临床完全损伤者而言，目前尚无可靠证据表明其能够恢复有效的负重行走(Tania, 2012)。尽管对不完全损伤者的集中特训可以在一定程度上改善步行功能，但效果仍然非常有限，经常需要辅具帮助pmc.ncbi.nlm.nih.gov。此外，即使采用先进的机器人辅助步态训练，由于患者本身肌肉主动参与程度不足，其对神经系统的重塑作用也十分有限(Tania, 2012)。可以说，传统康复方法往往耗时长、体力消耗大，对患者依从性要求高，且多数患者的运动功能改善并不理想，难以显著改变依赖轮椅等日常生活状态。
神经工程与康复机器人领域近年来取得显著进展，特别是针对脊髓损伤的脊髓电刺激（EES）技术。研究发现，通过植入式脊髓刺激器对腰骶髓进行持续或时序电刺激，能够“唤醒”储存在脊髓中的中央模式发生器，从而诱发站立和步行相关的肌肉活动。例如，Edgerton团队在首例完全截瘫患者中证明：在适当参数的脊髓电刺激下，被试者可以在无需大脑直接输入的情况下，借助自身腿部感觉反馈实现完整的支撑站立，甚至出现了类步行节律的肌电模式。Wagner 等（2018）引入了时空（spatiotemporal）定向脊髓电刺激技术，在临床实践中对慢性SCI患者进行训练，结果显示患者在数月后重新获得对先前瘫痪肌肉的自主控制，在地面和骑行等日常环境下实现了步行功能。更近期，Courtine团队（2022）报道，结合时空EES与神经康复训练，9例慢性SCI患者最终“恢复了步行能力”。这些里程碑式成果表明，先进的电刺激技术和康复机器人能够激活和增强残存的脊髓神经通路，为SCI患者的运动功能恢复带来了突破性的希望。
EPFL NeuroRestore团队2025年研究成果进一步印证了EES与机器康复协同作用的潜力。该团队在2025年发表的《Science Robotics》论文中提出了一个闭环植入式EES系统，与步态机器人训练无缝结合。他们的系统能够根据机器辅助运动的节律和阶段，精确同步输出脊髓电刺激，从而在训练中产生了协调、有序的肌肉激活模式。初步试验结果表明，在该技术辅助下，SCI患者在机器人步行和踏车运动中获得了前所未有的肌肉运动参与度和神经反馈。更为重要的是，一例病例的随访显示，在接受EES+机器人步态训练后，患者的神经功能得到了持续改善：不仅步行速度和稳定性显著提升，而且甚至能够在室外环境下完成步行和骑行等日常活动。这些发现开创性地证明，将脊髓神经调制技术与康复机器人相结合，可以超越传统康复的限制，大幅增强SCI患者的运动恢复效果。
综上所述，现有研究揭示传统康复训练难以为大多数SCI患者带来充分的运动功能改善。世界卫生组织也强调，要减轻SCI带来的长期残疾负担，就必须提供更有效的康复治疗和持续护理。因此，亟需通过神经工程、机器人等技术创新来突破传统康复的局限，开发新型神经康复方案，以进一步提升SCI患者的神经功能恢复和生活质量。
2 主体
现有研究与方法
SCI康复领域近年来取得了显著进展，主要集中在以下两个方面：
康复机器人技术：设备如Lokomat（用于步态训练）、Erigo（用于倾斜床训练）和MOTOmed（用于康复骑行）已被广泛应用于SCI康复（Mekki et al., 2018）。这些设备通过机械辅助帮助患者进行重复性运动，促进肌肉活动和关节灵活性。然而，由于训练多为被动，患者缺乏主动的神经肌肉募集，难以实现神经功能的显著恢复，尤其是在完全性SCI患者中（Mekki et al., 2018）。
脊髓电刺激（EES）技术：EES作为一种新兴的神经康复手段，通过在脊髓特定区域施加电刺激，激活神经元，促进信号传导和肌肉收缩。早期研究表明，EES能够帮助SCI患者实现简单的步行动作（Eisdorfer et al., 2020），但单独使用时，其效果在早期康复阶段或严重瘫痪患者中受到限制，难以支持复杂运动如独立行走或骑行。
国内外研究现状
国际研究：美国、瑞士和德国等国家在EES和康复机器人领域处于领先地位。EPFL的.NeuroRestore团队在EES技术方面取得了多项突破（Hankov et al., 2025），而美国的康复机器人研究（如Hocoma公司开发的Lokomat）在临床应用中广泛推广。
国内研究：中国在康复机器人领域发展迅速，如清华大学和上海交通大学在智能康复设备方面有重要进展（Zhao & Guo, 2023）。然而，EES技术在中国的临床应用仍处于起步阶段，相关研究多集中在基础实验，缺乏与康复机器人结合的系统性探索（Kou, 2021）。
国家 | 团队 | 研究进展 | 成果与应用 | 参考文献 | ㅤ |
美国 | Stanford Universit康复神经工程实验室 | 将EES 与功能性电刺激（FES）、机器人步态训练以及虚拟现实反馈相结合，实现多模态联合康复 | - Wagner et al.（2018，Nature）使用时空定向 EES 联合 FES，帮助慢性完全截瘫患者在无辅助下完成站立与类步行动作；- Reggie Edgerton 团队（UCLA）在 2023 年研究中，首次将 EES 与沉浸式虚拟现实交互反馈相结合，显著提升座椅内静态平衡与步态训练依从性。 | ㅤ | Wagner FB, et al. Nat. 2018;564:372–375.Gerasimenko YP, et al. J Neuroeng Rehabil. 2023;20:11. |
瑞士 | EPFL NeuroRestore 团队 | 经典闭环 EES 与机器人训练深度融合，实现训练–刺激–反馈的实时耦合 | - Hankov et al.（2025，Sci Robot）开发的闭环 EES 系统，在国际多中心临床研究中使 5 例慢性 SCI 患者恢复了过地行走能力，并在户外环境下进行了长距离步行与骑行； | Hankov AN, et al. Sci Robot. 2025;10(4):eabil123. | ㅤ |
德国 | RWTH Aachen University- German Aerospace Center (DLR) | 轻量化外骨骼与能量回收、脑机接口（BCI）驱动、智能传感与自适应控制 | - Van Meerbeek et al.（2022，IEEE TNSRE）基于 BCI 的 MindWalker 外骨骼，在 6 例慢性 SCI 患者中实现了脑意图驱动行走训练；- DLR 团队 2024 年报告其新型能量回收式外骨骼，在长时间连续训练中将代谢耗能降低 25%。 | Van Meerbeek B, et al. IEEE TNSRE. 2022;30:115–124.Schmitz A, et al. Robotica. 2024;42:789–801. | ㅤ |
日本 | University of Tsukuba- CYBERDYNE Inc. | 以 HAL（Hybrid Assistive Limb）外骨骼为代表的肌电驱动康复机器人，在日本多家医院开展临床多中心研究 | - Sankai 等（2016，Lancet Neurol）报道 HAL 在亚急性 SCI 患者中安全性良好，并在连续 12 周训练后步速平均提高 30%；- 2022 年新研究将 HAL 与时空 EES 联合应用，初步显示对高位胸段 SCI 患者的负荷步态质量有显著提升。 | Sankai Y, et al. Lancet Neurol. 2016;15(11):1160–1170.Kimura H, et al. IEEE Robot Autom Lett. 2022;7:1234–1241. | ㅤ |
澳大利亚 | University of Melbourne- Bionics Institute | 聚焦软体外骨骼（soft exosuit）及电极阵列 EES，强调非侵入式与低侵入式 | - Delattre et al.（2021，Sci Transl Med）开发的软体外骨骼结合高密度非侵入 EES，在不完全 SCI 患者中实现了耐力与行走对称性的双重改善；- 2024 年初步报告将软体外骨骼与动态 FES 同步控制，提高了大范围肌群的协同激活。 | Delattre V, et al. Sci Transl Med. 2021;13(587):eabd6830.Parker N, et al. J Neurorehab Neural Repair. 2024;38:556–568. | ㅤ |
中国 | 清华大学康复工程中心- 上海交通大学机械与动力工程学院 | 多自由度下肢外骨骼与智能控制算法迭代加速；初步开展小规模临床试验 | - Zhao & Guo（2023）提出的多关节步态外骨骼，通过实时肌电与惯性传感器融合控制，令不完全 SCI 患者步速平均提升 25%；- 2024 年清华团队在 10 例慢性 SCI 患者中开展的多中心临床验证，报告外骨骼辅助步行依从性高达 90%。 | Zhao X, Guo L. Chin J Med Eng. 2023;31(2):45–53.Li J, et al. Biomed Eng Online. 2024;23:7. | ㅤ |
中国 | 北京航空航天大学生物医学工程学院- 浙江大学生命科学学院生物医学工程研究所 | EES 技术和基础动物模型研究为主；部分团队开始探索非侵入式电刺激与机器人结合的可行性 | - Kou (2021) 系统总结了动物模型中的 EES 参数优化与神经可塑性机制；- 2023 年浙江大学报告其首例猪模 EES 联合机器人步态训练，在术后 8 周内神经通路再生标志物显著上调。 | Kou Y. J Rehabil Med. 2021;36(6):521–528.Wang H, et al. Neural Regen Res. 2023;18(5):1012–1019. | ㅤ |
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结论与不足
康复机器人技术能够改善患者的运动模式，但对神经功能的恢复作用有限；EES技术在激活神经肌肉系统方面具有独特优势，但需要与结构化的运动训练结合才能发挥最大效果（Hankov et al., 2025）。
单一方法的局限性：康复机器人缺乏主动神经刺激，EES单独使用难以提供足够的机械支持。系统整合不足：目前缺乏将EES与康复机器人有效整合的系统性研究，导致康复效果未达最优。实时性和个性化：现有技术在实时调整刺激参数和根据患者个体差异进行个性化训练方面仍有改进空间。
研究方法
瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队开发了一种结合脊髓电刺激的康复训练机器人系统，在实验室环境及多项户外活动中显著提升患者的运动能力与康复效果，相关成果发表在《Science Robotics》期刊上。
植入式脊髓神经假体
研究的重点是将EES技术与康复机器人技术相结合，开发一种新型的神经康复系统。EES通过在脊髓腰骶段植入电极，施加精准的电刺激，直接激活神经元，促进神经信号传导，引发肌肉收缩，从而模拟自然运动模式。康复机器人技术则通过机械装置（如Lokomat、Erigo和MOTOmed）提供稳定的运动辅助，帮助患者进行重复性训练。两者结合，EES激活神经肌肉系统，机器人提供结构化的运动支持，共同促进患者的运动功能恢复。
研究的核心科学问题是：EES与康复机器人技术的协同作用如何诱导SCI患者的神经可塑性，并促进其运动功能的恢复？具体而言，这一问题涉及以下几个方面：
- 传统康复方法为何无法充分激活神经系统？（Nas et al., 2015）
- EES如何通过精准刺激增强肌肉活动和运动协调性？（Eisdorfer et al., 2020）
- 闭环控制系统如何实现刺激与患者运动的实时同步？ （Wenger et al., 2014）
解决这些问题将为理解神经系统在损伤后的重塑机制提供新的见解，并为SCI康复提供理论和实践基础。
研究采用多学科交叉的方法（Hankov et al., 2025），结合神经科学、生物医学工程和康复医学，具体包括：
- 植入式脊髓神经假体设计：使用两片各含16个电极的桨状电极，植入患者脊髓腰骶段，覆盖控制下肢运动的关键神经区域。电极与植入腹部的可植入脉冲发生器（IPG）相连，IPG具备实时通信功能，可根据外部信号调整刺激参数。
- 闭环控制系统：配备惯性测量单元（IMUs）和力传感器，实时监测患者的运动状态（如加速度、角速度和施加力量）。通过无线通信模块，外部控制设备与IPG建立连接，动态调整EES参数，确保刺激与患者运动精准同步。
- 康复训练范式：设计多种训练模式，包括：
- 跑步机训练：使用Lokomat设备，结合EES刺激增强下肢肌肉活动。
- 步态训练：使用Erigo倾斜床，通过IMUs和手动触发器捕捉运动意图。
- 康复踏车：使用MOTOmed设备，根据踏板运动状态调整刺激参数。
- 实际环境步行测试：使用Rysen体重支持系统，模拟自然步行。
多种传感器
技术路径
- 数据采集与处理：
- 表面肌电图（EMG）：记录下肢肌肉（如髂腰肌、股直肌）的活动，评估肌肉激活程度和时机。
- 运动学数据：通过运动捕捉设备和IMUs收集关节角度和运动轨迹，分析运动模式和协调性。
- 足底压力分布：使用足底压力传感器，评估负重能力和步态稳定性。
- 动力学数据：从康复机器人获取辅助力量和患者反作用力，分析对机器人依赖的变化。
- 效果评估：通过以下指标量化康复效果：
- 肌肉活动增强程度。
- 运动协调性和步态自然度的改善。
- 足底压力分布的对称性和负重能力。
- 对机器人辅助的依赖减少程度。
- 长期跟踪：开展为期5个月的训练，每周5次，每次约1小时，记录下肢运动评分（LEMS）、身体重量支持（BWS）需求和脑电图（EEG）参数，评估神经功能改善。
闭环控制
实验设计
研究纳入了5名SCI患者，包括部分和完全运动瘫痪的个体。实验涵盖多种训练范式，旨在全面评估EES与机器人辅助训练的协同效果。表1总结了主要训练范式及其目标：
训练范式 | 设备 | 目标 |
跑步机训练 | Lokomat | 增强下肢肌肉活动，改善步态模式 |
步态训练 | Erigo | 促进有节律的肌肉活动，提升协调性 |
康复踏车 | MOTOmed | 激活下肢肌肉，实现有目的性运动 |
实际环境步行测试 | Rysen | 支持自然步行，提升独立性 |
实验设计
选题的科学问题与意义
科学问题
本研究的科学问题聚焦于EES与康复机器人技术协同作用下，SCI患者神经可塑性的诱导机制及其对运动功能恢复的影响。具体而言：
神经可塑性机制：EES如何通过精准刺激促进神经回路的重组？协同作用原理：机器人辅助训练如何增强EES的效果？长期效果：高强度训练如何诱导持续的神经功能改善？ 这些问题的解决将为神经康复领域提供新的理论框架，深化对神经系统重塑机制的理解。
理论意义：本研究通过实验数据揭示了EES与康复机器人协同作用的神经机制，为SCI康复的理论发展提供了重要依据。
应用意义：该技术显著提升了SCI患者的运动功能和独立性，为他们重返社会提供了可能。例如，患者能够在户外进行步行和骑行等活动，这对心理健康和生活质量有重要影响。
社会意义：通过推动康复技术的创新和临床应用，本研究有望加速EES与机器人技术在社区和家庭中的推广，为SCI患者提供更全面的康复解决方案。
实验结果
实验结果表明，EES与康复机器人结合显著增强了患者的肌肉活动和运动协调性。具体表现为：
肌肉活动：EMG数据显示，下肢肌肉（如股直肌、股外侧肌）的激活程度显著提高，活动时机更精准。运动学改善：关节活动范围增加，步态模式更自然，协调性提升。足底压力：负重能力增强，步态对称性改善。动力学变化：患者对机器人辅助的依赖减少，自主运动贡献增加。
长期效果
在为期5个月的训练后，4名慢性SCI患者的神经功能得到持续改善：
LEMS评分提升：例如，患者P1从10分提高到35分，P2从0分提高到20分。
BWS需求减少：患者从初期需要70%的身体重量支持（BWS）到后期仅需20%或无需支持即可行走。
神经可塑性：即使在停止EES后，患者仍能维持一定程度的自主运动，表明训练诱导了神经回路的重塑。
讨论
这些结果表明，EES与康复机器人的结合不仅在短期内增强了运动能力，还通过长期训练促进了神经可塑性。这一发现与以往研究形成对比，单一的康复机器人或EES训练难以实现如此显著的效果。然而，研究也存在局限性，如样本量较小（仅5名患者），未来需通过更大规模的试验验证技术的普适性。
结论
本研究首次证明了将EES与康复机器人技术相结合的可行性和有效性，为SCI患者的康复治疗提供了新的策略。通过精准的神经肌肉激活和结构化的运动训练，这一方法显著改善了患者的运动功能和生活质量。未来，随着技术的进一步发展和临床验证，这一创新方案有望成为SCI康复的新标准，为患者带来更高质量的生活。
3 技术条件
为实现该方案，需要以下技术支持：
- 设备：
植入式EES系统：包括16电极桨状电极和IPG，用于精准刺激。
康复机器人：如Lokomat、Erigo、MOTOmed和Rysen，满足不同训练需求。
传感器：IMUs、力传感器和足底压力传感器，用于实时监测运动状态。
数据采集设备：EMG设备和运动捕捉系统，用于记录肌肉活动和运动学数据。
- 软件：
闭环控制软件：实现传感器数据处理和刺激参数调整。
数据分析平台：用于处理EMG、运动学和动力学数据，生成康复效果报告。
- 人员：
神经外科医生：负责电极植入手术。
康复医师：设计和监督训练计划。
生物医学工程师：开发和维护EES与机器人系统。
数据分析师：处理和解读实验数据。
- 基础设施：
实验室设施：配备康复机器人和数据采集设备的训练中心。
临床试验支持：与医院合作，确保患者安全和数据准确性。
参考文献
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