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新型电动“外骨骼”,让截肢者轻松行走!能量消耗均降15.6%

新型电动“外骨骼”,让截肢者轻松行走!能量消耗均降15.6%

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撰文:库珀

编审:寇建超

因为某些事故或者灾祸,不得已被截肢的人不在少数。

膝上截肢严重影响了数百万人的活动能力和生活质量,虽然市面上有一些腿部假肢能够辅助行走,但行走效率极低,步行经济性差、使人劳累,这是限制患者移动性的一个主要问题。

为了改善被截肢残疾人的行走难题,美国犹他大学仿生工程实验室的研究人员开发出了一套轻型动力外骨骼,该设备使用电机、微处理器和先进的算法来帮助下肢截肢者行走,就像电动自行车帮助骑手踩着踏板上坡一样。

该研究小组的相关论文发表在《自然医学》杂志上。实验数据表明,借助动力髋外骨骼辅助装备是提高截肢者步行经济性的可行方案,能显著降低行走的代谢成本,对活动性产生相当积极的影响,未来可大幅提升膝上截肢患者的生活质量。

图|装备测试(来源:Utah’s Bionic Engineering Lab)

穿上它,相当于卸下一个26磅重的背包

被截肢的人带上普通假肢行走艰难,很大程度上是因为腿部的关键肌肉组织在手术过程中被切除了,市面上一些标准的假肢产品并不能完全复制人腿的生物力学功能,因此,膝上截肢者在行走时会感觉吃力,因为他们要过度使用残肢和其余的肢体肌肉来补偿来自假肢的能量不足。

另外,生物力学模拟和非计算机个体实验表明,腿部踝关节在行走过程中提供了相当大的净正能量。如果踝关节受损或缺失,患者必须增加残肢和完整肢体的力量,以补偿缺失的踝关节能量,从而形成不自然、不对称和甚至是无效的步态模式。

尽管最近的很多研究在减少动力假肢重量方面取得了一些进展,但迄今为止,没有动力装置能够持续改善膝上截肢患者的代谢成本。

犹他大学机械工程研究所助理教授Tommaso Lenzi表示:“即使你有移动臀部的能力,你的行走能力也会受到严重损害,缺乏力量和活动范围。”

图|动力髋关节外骨骼和实验装置(来源:Nature Medicine)

与漫威超级英雄钢铁侠等额外力量的动力服或其他帮助工人搬运重物的外骨骼装备不同,Lenzi团队的外骨骼仅为使用者提供行走所需的额外力量。

该设备具有一个轻巧、高效的机电致动器,连接到使用者的大腿上,腰部的安全带包含定制的电子系统、微控制器和运行先进控制算法的传感器,外骨骼的人工智能程序了解人如何移动,并帮助人移动,且执行器可在主线束的右侧和左侧之间互换,以适应任何一条腿。

研究小组进行了一项研究,其中6名膝盖以上截肢的患者在记录其代谢率的同时测试了外骨骼行走数据,同时测量他们的氧气摄入量和二氧化碳水平,所有测试外骨骼的人都提高了他们的代谢率,能量消耗平均降低了15.6%,这相当于卸下一个26磅(约11.79�K)重的背包。

Lenzi介绍,这是一个很大的进步,实验中截肢患者的行走代谢消耗量几乎与一个健全人的消耗量没有区别。

另一个关键因素是,该设备具有独特的轻量级,框架由碳纤维材料制成,而其他部件由塑料复合材料和铝制成,总体下来,这套外骨骼只有5.4磅重(约2.45�K)。

图|带和不带外骨骼行走的代谢成本比较(来源:Nature Medicine)

一名受试残疾人Stan Schaar表示:“我第一次使用它时,感觉我的肌肉完全与这个外骨骼融合在一起,穿上它能够移动得更快。它帮助我的腿部放松,向前移动并行走,戴上它我可以行走数英里,因为它协助于我的肌肉运动。”

七年前,Schaar在一次车辆事故中压碎了腿,在随后的截肢手术中,医生不得不切除他的大部分腿部肌肉。“我是一个残肢肌肉不多的人,没有任何东西可以取代骨肉腿,但这套装备非常接近。我希望能尽快将这个设备推向市场。”Schaar补充说。

Lenzi表示,这种外骨骼可能在几年内就能问世。美国国防部提供了98.5万美元赠款资助了这项新的外骨骼技术的开发,以造福退伍军人,今年早些时候,他的实验室还从国家科学基金会获得了58.4万美元的赠款。

验证了一个假设

通常,电动假肢的目的是通过增加踝关节的能量来降低步行的代谢成本,这是生理学上的。

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相比之下,这项研究所提出的外骨骼方法旨在通过在髋关节增加非生理性能量来降低行走的代谢成本。自主动力髋关节外骨骼已成功降低了年轻个体行走甚至跑步的代谢成本。然而,髋外骨骼是否能降低膝上截肢患者的代谢成本尚不清楚。

在试点实验的支持下,本研究验证了一个假设,即动力髋外骨骼可以通过在残余髋关节处注入能量来降低膝上截肢患者行走的代谢成本。

研究人员对膝上截肢患者(6人)进行了实验,他们在有或没有自主、单侧动力髋外骨骼的情况下行走。参与者在跑步机上以1米/秒的速度行走,或在12米步行道上移动,动力髋外骨骼可在屈曲和伸展时提供辅助扭矩。

根据每个参与者的主观偏好及实验者的经验,手动调整其屈曲和伸展的峰值及其各自的时间。在跑步机试验期间,使用间接量热法测量代谢能量消耗,为了避免任何潜在的混淆效应,参与者不允许使用跑步机的扶手。

图|外骨骼装备在跑步机上以1米/秒运动时的参数值(来源:Nature Medicine)

在跑步机试验中,每个参与者的步行代谢成本计算为总代谢能量消耗减去放松站立期间测量的代谢消耗,在6名参与者中,动力髋关节外骨骼使步行的代谢成本平均降低15.6±2.9%。

此外,研究人员还计算了所有参与者的平均髋、膝和踝关节角度。有外骨骼时残余髋关节的活动范围也明显大于无外骨骼时的活动范围,具体而言,在有和没有外骨骼的情况下,残余髋关节的运动范围分别为49.42°和46.54°。

值得注意的是,外骨骼辅助下的残余髋关节运动学在参与者之间存在显著差异,髋关节活动范围在37.97°和59.08°之间,屈曲扭矩在56.7%和64.2%的步幅之间达到峰值,伸展扭矩在9.4%和14.3%的步幅之间达到峰值。平均而言,69.0%的外骨骼辅助能量发生在屈曲期间。

在地面测试中,所有参与者以自己选择的速度在有外骨骼和没有外骨骼的情况下在地面上行走,外骨骼辅助的调整与跑步机试验相同。由于自主选择的行走速度更快,外骨骼在地面上的辅助力量高于在跑步机上,在行走速度、重心运动学或时间步态对称性方面未观察到显著差异。

装备还有很大优化空间

迄今为止,膝上截肢患者最有效的辅助设备是微处理器控制的假体,这项技术于20世纪90年代引入市场,与20世纪50年代推出的上一代假肢相比,微处理器控制的假肢步行经济性提高了5�C6.5%左右。与单独使用假肢行走相比,论文里的自主动力髋关节外骨骼进一步将步行经济性提高了15.6%。

图|其他团队开发的机械假肢(来源:STAT)

研究人员在论文中提到,与本研究中观察到的情况相比,通过补充对侧髋关节(即健侧髋关节)的代偿作用,双边协助可能导致更高的代谢节省。另一方面,与建议的单侧髋部外骨骼相比,双侧外骨骼将更重,对用户具有侵扰性,因此,目前尚不清楚双边援助是否比单边援助更有效。

在本项目研究中,实验者根据参与者的经验和主观反馈,为每个参与者手动调整髋关节援助,手动调节大约需要15分钟,在这期间,参与者以2到3分钟的周期步行不到10分钟。尽管手动调整旨在最大化外骨骼在屈曲和伸展方面的辅助作用,但参与者始终倾向于更高的屈曲力而非伸展力。

研究人员提出了控制算,该算法可在人行走时自动优化外骨骼辅助,以最小化代谢成本。这种自动调整方法可能会带来最佳的帮助,然而,与本研究中使用的手动非最佳调节相比,自动最佳调节需要更多的步行测试时间(例如64分钟),较长的调节时间可能对截肢人群构成挑战。此外,自动调谐没有明确地考虑主观偏好,这些缺点可能解释了为什么自动调节尚不能成功降低截肢患者行走的代谢成本,方案仍有待改进。

更进一步而言,将来通过手术干预,如骨整合或大腿成形术等来解决更多问题。如果能够在保持用户舒适的同时增加辅助扭矩,研究人员就可以增加电动外骨骼注入的能量,进一步降低行走的代谢成本,这为截肢患者建立新的护理标准提供了全新方案。

不过,该研究最重要的局限性在于,样本人群相对较小且同质(6人,均为仅外伤性截肢),这导致研究人员仍然缺乏对所观察到的代谢改善的机械解释,包括对屈曲和伸展辅助的相对贡献的评估。在跑步机上观察到的步行经济性改善扩展到地上步行,但没有测试这些结果是否能延伸到现实生活中常见的倾斜和不平地形,同时也缺乏对主观偏好的定量评估,这对于现实生活中的可接受性至关重要。

在未来的研究中,通过反向动力学和肌电图评估关节水平的扭矩和作用力,可能会为观察到的代谢改善提供更加深入的机械解释,此外,探讨双边和单边外骨骼装备援助之间的权衡也很有意思,可能要设计全新的动力和被动假肢结合方案。

这些知识将支持所提议的辅助装置的工程优化,对拟议干预的临床成功至关重要。

Lenzi表示:“国家科学基金会的拨款将使我们能够继续这项工作,并制造出更好的设备来帮助更多的残疾人恢复行走能力”。

论文链接:

https://attheu.utah.edu/facultystaff/power-walk/

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