机器人外骨骼矫正脑瘫儿童“屈膝步态”,助其直立行走

医疗器械机器人
亿欧
申达
2017-09-13 16:36
[ 亿欧导读 ] 脑瘫是美国儿童残疾的主要原因,每1000个新生儿中约有3.3个脑瘫患者。这种疾病通常难以治愈,但机器人外骨骼可以矫正脑瘫儿童患者的“屈膝步态”,帮助儿童保持直立行走的能力。
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脑瘫是美国儿童残疾的主要原因,每1000个新生儿中约有3.3个脑瘫患者。尽管这种神经性障碍可能在物理或职业疗法中得到较好的管理,但这却是一种难以治愈的疾病,剥夺了人们行动的能力。

但新的机器人设计可以显著改善脑瘫患者的行动能力,并替代了之前昂贵的创伤性矫正手术。最近发表在《科学转化医学》期刊上的一项研究发现,佩戴一个机器人外骨骼——配有小电机的支柱——帮助脑瘫儿童实现了显著的移动改善。

外骨骼的设计致力于解决“屈膝步态”的问题:帮助脑瘫儿童直立行走,改变其弯腰驼背的姿势,避免给膝盖造成过度的压力。

随着儿童年龄的增长,这种屈膝步态的姿势不断弱化其站立的能力。除非他们经过昂贵且具有创伤性的矫正外科手术,否则大多数屈膝步态的儿童在成年后就会失去行走的能力。而新的机器人外骨骼可以缓解脑瘫儿童的屈膝步态。如果坚持长期使用,则可以帮助更多的孩子保持其行走的能力。

机器人外骨骼——本质上是用来帮助人类移动的“机器人套装”——这在医疗领域并不是一个全新的发展。但迄今为止,大多数可穿戴的外骨骼都是为患有瘫痪的成年人设计的。

由于瘫痪的人没有肌肉控制能力,因此,现在大多数可穿戴的外骨骼代替了患者失去的所有运动能力。此外,尽管脑瘫患者的运动功能受损(导致震颤、肢体虚弱或缺乏协调性),但却保持了肌肉控制的可变水平。

美国国立卫生研究院(NIH)康复医学部门的一个小组试图通过机器人帮助儿童改善行走能力,而不是完全用机器人的力量来代替患者的能力。

外骨骼辅助

NIH研究人员设计的外骨骼帮助患者在步行周期的特定阶段内提升其膝盖的支撑能力。该机器人外骨骼重量约为6磅到10磅之间,在其设备上布满了传感器,以监测和调整合适的扭矩、力量和速度,并在适当的时候提供膝关节伸直援助。正如上面的图片所示,外骨骼激活了各种“辅助条件”(如姿势辅助和摆动辅助),以改善孩子在走路时的某些动作。

在为期一周的临床试验中,NIH研究人员研究了7个患有脑瘫的儿童(年龄在5到19岁之间)。作为每次研究的一部分,每个孩子在行走时都会佩戴机器人外骨骼,以便研究人员对其步态进行观察研究。

研究发现,该机器人能够帮助脑瘫儿童在走路时保持更直立的姿势。

在该项研究中,所有的孩子在使用该设备时,都无需在治疗师的辅助下,正常直立行走,其中6个儿童患者在第一次尝试时就能做到这一点。研究人员注意到,这些儿童患者在试探性试验过程中也表现出了进步的姿态。

重要的是,七名参与者中有6人达到了走路姿势的整体改善,这与通常看到的具有创伤性矫正手术的结果相当(以肌腱延长或植骨融合的骨科手术在脑瘫患者中常见)。此外,研究人员还观察到,“膝关节伸肌活动没有明显的减少”——这意味着孩子们在走路时仍然使用他们得肌肉,而不是完全依靠外骨骼的触发来执行其运动。

综上所述,这些发现显示出机器人外骨骼作为一种有用的治疗方案的潜力。经过长期的治疗应用,这些机器人外骨骼不仅能改变孩子的姿势,而且随着时间的推移也会锻炼和增强他们的肌肉。

在目前的迭代中,下肢外骨骼可以帮助儿童保持行走的能力,否则由于其长期的屈膝步态,他们很可能会使其行走能力。然而,接下来的问题是,外骨骼是否可以作为一种可行的方法来训练脑瘫儿童的行走模式,从而使他们最终能够摆脱外骨骼的持续治疗?

NIH研究团队表示他们可以找到其解决方案。基于这项研究成果,该团队目前正在进行另一项试验,即脑瘫患者坚持在家中使用外骨骼一年或更长时间,并监测其进展情况。该研究小组还表示,他们有兴趣对患有脊柱裂、脊髓损伤或其他移动问题的儿童进行外骨骼测试。

机器人外骨骼的可穿戴性只涵盖了下肢,相比于其他机器人物理疗法,该设备更容易应用于治疗。目前为止,虽然一些诊所已经使用机械设备帮助脑瘫儿童练习走路,但其设备系统通常使用跑步机及拴在天花板上的支撑带。

行走辅助设备

来自瑞士洛桑联邦理工学院的NCCR Robotics和洛桑大学医院的研究人员共同研发的康复机器人harness,致力于帮助那些神经受损的人们重获行动能力。最新一代的机器人harness可以通过推动患者前进或后退,从一边到另一边的移动,而不只是简单地支持其体重。这有助于他们重建失去的肌肉质量和再次习得姿势和运动,同时还能训练大脑,以达到重力和运动间所需的微妙平衡。

然而,如果机器人外骨骼进一步的研究证明下肢外骨骼是一个长期高度有效地治疗方法的话,那么该设备有望成为76.4万美国脑瘫儿童首选的有效家庭疗法,且基于其较小的体积和机械部分,该设备的价格可能低于大多数矫正手术的成本。


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