机器人辅助步行对神经运动障碍青少年骨骼与肌肉健康的影响：一项五例病例系列研究

《Frontiers in Endocrinology》：Effects of robotic walking on bone and muscle health in youth with neuromotor impairments: a five-participant case series

　　

专业摘要翻译 引言/背景： 骨骼与肌肉健康是神经运动障碍患者，尤其是功能受限最严重者面临的重大关切。本病例系列研究呈现了儿童和青少年神经运动障碍患者在经历13至14周机器人辅助步行后骨骼与肌肉的适应性变化。 方法： 为确保干预针对功能性有意义的结果，研究人员采用加拿大作业表现测量表（Canadian Occupational Performance Measure, COPM）来捕捉以家庭为中心的目标及参与机器人辅助步行的动机。研究人员使用外周定量计算机断层扫描（peripheral quantitative computed tomography, pQCT）对胫骨三个部位进行扫描：3%（松质骨）、38%（皮质骨）和66%（肌肉）胫骨长度处。研究人员在五名功能受限最严重的参与者（粗大运动功能分级系统（Gross Motor Function Classification System, GMFCS）III-V级及功能评估问卷（Functional Assessment Questionnaire, FAQ）：功能性步行量表1-5级；年龄4-12岁）接受机器人辅助步行前后采集扫描数据。研究人员将骨骼和肌肉结局指标转换为相对于典型发育人群的年龄、性别和种族匹配的Z评分，并评估干预前后的Z评分变化。研究人员计算每位参与者各骨骼参数单位的最小显著变化（least significant change, LSC），并将超过LSC及基于现有参考数据的预期生长量定义为临床相关变化。 结果： 在部分参与者中，机器人辅助步行后观察到松质骨骨密度（trabecular bone mineral density, Tb.BMD）（三名参与者）、总骨矿物质含量（total bone mineral content, Tt.BMC）（一名参与者）和皮质骨骨密度（cortical bone mineral density, Ct.BMD）（一名参与者）出现临床相关改善，提示有前景的骨骼适应性。 结论： 研究结果强调有必要开展更大规模的纵向研究，以探索机器人辅助步行在不同GMFCS和FAQ水平中的影响。

论文解读文章

研究背景与目的

儿童和青少年时期是骨骼生长发育的关键窗口期，通过体力活动、肌肉-骨骼相互作用及重力负荷可有效提升骨强度。然而，在脑性瘫痪（cerebral palsy, CP）等影响身体功能的神经发育障碍中，骨骼健康常受到严重损害。患有CP及其他神经运动障碍的儿童和成人的长骨更小更薄，其体力活动水平显著低于典型发育同龄人。由于肌肉骨骼健康受损，这类人群更易发生骨质疏松和脆性骨折，导致疼痛和活动能力进一步下降。

目前，针对功能受限最严重（GMFCS III-V级）个体的干预措施有限，包括振动疗法、站立治疗和体重支撑步行等。但这些方法存在骨折风险顾虑，且参与者常感到枯燥乏味。机器人辅助步行作为一种新兴技术，可通过多关节机器人装置附着于参与者肢体，提供部分体重支撑并带动其行走。已有研究表明，儿童和青少年CP患者乐于接受机器人步行，并能从中获得体力活动体验，在力量、步速和粗大运动功能方面有所改善。然而，尚无研究探讨此类干预对肌肉骨骼健康的具体影响。本病例系列旨在填补这一空白，评估13-14周机器人辅助步行对功能受限最严重的儿童和青少年（GMFCS III-V级，FAQ 1-5级）胫骨骨密度、几何结构、强度以及肌肉大小和密度的影响。

研究方法与技术

本研究纳入来自两项正在进行的临床试验（RoWaCaWa和QUEST）的五名参与者，年龄4-12岁，均因童年发病的神经功能障碍无法独立行走。所有参与者借用Trexo-Plus机器人助行器（Trexo Robotics, Mississauga, ON, Canada）进行为期3个月的机器人步行训练。研究采用外周定量计算机断层扫描（pQCT）XCT 3000扫描仪分别在干预前后获取双侧胫骨图像，在3%（松质骨）、38%（皮质骨）和66%（肌肉）胫骨长度处分析骨骼和肌肉参数。骨和肌肉结局指标被转换为与年龄、性别和种族匹配的Z评分。研究人员计算最小显著变化（LSC），并将同时超过LSC和预期生长量的变化定义为临床相关改变。

研究结果

案例1（4岁男孩，双侧混合型CP，GMFCS IV级，FAQ 2）： 完成58次机器人步行训练，总计1,795分钟和100,353步。基线时骨指标显著低于正常参考值，Tb.BMD和Tt.BMC的Z评分分别为-5.94和-7.15。干预后Tb.BMD原始值增加10.4 mg/cm³，超过LSC（9.2 mg/cm³）及LSC加预期生长（9.9 mg/cm³），达到临床相关改善。Tt.BMC变化未达显著阈值。

案例2（6岁男孩，双侧痉挛型CP，GMFCS III级，FAQ 5）： 完成72次训练，总计3,334分钟和171,437步。基线时Tb.BMD和Tt.BMC的Z评分分别为-4.67和-3.49。干预后Tb.BMD原始值增加26.8 mg/cm³，Tt.BMC增加22.4 mg/mm，两者均超过LSC及LSC加预期生长，均达到临床相关改善。在38%切片处，Ct.BMD高于正常参考值，但变化未达LSC加生长阈值。部分皮质骨参数（Ct.BMC、骨膜周长、截面模数）变化超过LSC但未超过LSC加预期生长。

案例3（9岁女孩，非进展性遗传性疾病致双侧运动障碍，FAQ 3）： 完成63次无座椅训练，总计3,658分钟和102,748步。基线时Tb.BMDZ评分为正常范围（-0.31），但Tt.BMCZ评分显著偏低（-5.46）。干预后Tb.BMD和Tt.BMC原始值变化均超过预期生长但未超过LSC，未达到临床相关改善标准。

案例4（7岁女孩，遗传性疾病致双侧运动障碍，FAQ 3）： 完成46次训练，总计1,655分钟和33,989步。基线时Tb.BMD和Tt.BMC的Z评分分别为-4.81和-2.64。干预后Tb.BMD原始值增加41.3 mg/cm³，超过LSC（10.4 mg/cm³）及LSC加预期生长（10.3 mg/cm³），达到临床相关改善。Tt.BMC增加20.0 mg/mm，超过LSC（17.5 mg/mm）和预期生长（3.0 mg/mm），但低于LSC加预期生长阈值（20.5 mg/mm）0.5 mg/mm。在38%切片处，Ct.BMD原始值增加30.2 mg/cm³，超过LSC（14.7 mg/cm³）及LSC加预期生长（15.2 mg/cm³），达到临床相关改善。肌肉横截面积（MCSA）Z评分从-4.07改善至-3.76，原始值增加122.1 mm²，超过LSC（87.5 mm²）但未超过LSC加预期生长。

案例5（12岁男孩，遗传性疾病致双侧运动障碍，FAQ 1）： 完成37次训练，总计1,620分钟和26,078步。基线时骨指标严重偏低，Tt.BMCZ评分为-5.93。干预后所有骨骼和肌肉指标变化均未达到临床相关改善标准。

讨论与结论

本病例系列首次报告了机器人辅助步行对神经运动障碍儿童和青少年骨骼与肌肉健康的影响。研究结果显示，在五名功能受限最严重的参与者中，三名在松质骨骨密度（Tb.BMD）方面表现出临床相关改善，一名在总骨矿物质含量（Tt.BMC）方面，另一名在皮质骨骨密度（Ct.BMD）方面也观察到类似改善。这些发现表明，机器人辅助步行可能为骨骼提供足够的机械刺激以促进骨适应，尤其是在基线骨健康严重受损的个体中。

值得注意的是，不同参与者的反应存在差异。案例2和案例4显示出最显著的骨改善，这可能与其较高的训练量和较低的功能水平有关。而案例5尽管功能限制最严重（FAQ 1），但未观察到明显改善，这可能与其极低的体力活动水平和较短的训练时间有关。此外，案例3基线时松质骨密度已处于正常范围，因此改善空间有限。

研究结论指出，机器人辅助步行有望改善神经运动障碍青少年的骨骼健康，特别是在松质骨区域。研究结果强调了开展更大规模纵向研究的必要性，以探索机器人辅助步行在不同GMFCS和FAQ水平中的长期影响，并确定最佳训练剂量和方案。