撰文：庫珀
編審：寇建超
因?yàn)槟承┦鹿驶蛘邽?zāi)禍，不得已被截肢的人不在少數(shù)。
膝上截肢嚴(yán)重影響了數(shù)百萬人的活動(dòng)能力和生活質(zhì)量，雖然市面上有一些腿部假肢能夠輔助行走， 但行走效率極低，步行經(jīng)濟(jì)性差、使人勞累，這是限制患者移動(dòng)性的一個(gè)主要問題。
為了改善被截肢殘疾人的行走難題，美國猶他大學(xué)仿生工程實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)出了一套輕型動(dòng)力外骨骼，該設(shè)備使用電機(jī)、微處理器和先進(jìn)的算法來幫助下肢截肢者行走，就像電動(dòng)自行車幫助騎手踩著踏板上坡一樣。該研究小組的相關(guān)論文發(fā)表在《自然醫(yī)學(xué)》雜志上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，借助動(dòng)力髖外骨骼輔助裝備是提高截肢者步行經(jīng)濟(jì)性的可行方案，能顯著降低行走的代謝成本，對(duì)活動(dòng)性產(chǎn)生相當(dāng)積極的影響，未來可大幅提升膝上截肢患者的生活質(zhì)量。
圖｜裝備測(cè)試（來源：Utah’s Bionic Engineering Lab）
穿上它，相當(dāng)于卸下一個(gè)26磅重的背包
被截肢的人帶上普通假肢行走艱難，很大程度上是因?yàn)橥炔康年P(guān)鍵肌肉組織在手術(shù)過程中被切除了，市面上一些標(biāo)準(zhǔn)的假肢產(chǎn)品并不能完全復(fù)制人腿的生物力學(xué)功能，因此，膝上截肢者在行走時(shí)會(huì)感覺吃力，因?yàn)樗麄円^度使用殘肢和其余的肢體肌肉來補(bǔ)償來自假肢的能量不足。
另外，生物力學(xué)模擬和非計(jì)算機(jī)個(gè)體實(shí)驗(yàn)表明，腿部踝關(guān)節(jié)在行走過程中提供了相當(dāng)大的凈正能量。如果踝關(guān)節(jié)受損或缺失，患者必須增加殘肢和完整肢體的力量，以補(bǔ)償缺失的踝關(guān)節(jié)能量，從而形成不自然、不對(duì)稱和甚至是無效的步態(tài)模式。
盡管最近的很多研究在減少動(dòng)力假肢重量方面取得了一些進(jìn)展，但迄今為止，沒有動(dòng)力裝置能夠持續(xù)改善膝上截肢患者的代謝成本。
猶他大學(xué)機(jī)械工程研究所助理教授Tommaso Lenzi表示：“即使你有移動(dòng)臀部的能力，你的行走能力也會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害，缺乏力量和活動(dòng)范圍。”
圖｜動(dòng)力髖關(guān)節(jié)外骨骼和實(shí)驗(yàn)裝置（來源： Nature Medicine ）
與漫威超級(jí)英雄鋼鐵俠等額外力量的動(dòng)力服或其他幫助工人搬運(yùn)重物的外骨骼裝備不同， Lenzi團(tuán)隊(duì)的外骨骼僅為使用者提供行走所需的額外力量。
該設(shè)備具有一個(gè)輕巧、高效的機(jī)電致動(dòng)器，連接到使用者的大腿上，腰部的安全帶包含定制的電子系統(tǒng)、微控制器和運(yùn)行先進(jìn)控制算法的傳感器，外骨骼的人工智能程序了解人如何移動(dòng)，并幫助人移動(dòng)，且執(zhí)行器可在主線束的右側(cè)和左側(cè)之間互換，以適應(yīng)任何一條腿。
研究小組進(jìn)行了一項(xiàng)研究，其中6名膝蓋以上截肢的患者在記錄其代謝率的同時(shí)測(cè)試了外骨骼行走數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)量他們的氧氣攝入量和二氧化碳水平，所有測(cè)試外骨骼的人都提高了他們的代謝率，能量消耗平均降低了15.6%，這相當(dāng)于卸下一個(gè)26磅（約11.79㎏）重的背包。
Lenzi介紹， 這是一個(gè)很大的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)中截肢患者的行走代謝消耗量幾乎與一個(gè)健全人的消耗量沒有區(qū)別。
另一個(gè)關(guān)鍵因素是，該設(shè)備具有獨(dú)特的輕量級(jí)，框架由碳纖維材料制成，而其他部件由塑料復(fù)合材料和鋁制成， 總體下來，這套外骨骼只有5.4磅重（約2.45㎏）。
圖｜帶和不帶外骨骼行走的代謝成本比較（來源： Nature Medicine ）
一名受試殘疾人Stan Schaar表示：“ 我第一次使用它時(shí)，感覺我的肌肉完全與這個(gè)外骨骼融合在一起，穿上它能夠移動(dòng)得更快。它幫助我的腿部放松，向前移動(dòng)并行走，戴上它我可以行走數(shù)英里，因?yàn)樗鼌f(xié)助于我的肌肉運(yùn)動(dòng)。”
七年前，Schaar在一次車輛事故中壓碎了腿，在隨后的截肢手術(shù)中，醫(yī)生不得不切除他的大部分腿部肌肉。“我是一個(gè)殘肢肌肉不多的人，沒有任何東西可以取代骨肉腿，但這套裝備非常接近。我希望能盡快將這個(gè)設(shè)備推向市場(chǎng)。”Schaar補(bǔ)充說。
Lenzi表示， 這種外骨骼可能在幾年內(nèi)就能問世。美國國防部提供了98.5萬美元贈(zèng)款資助了這項(xiàng)新的外骨骼技術(shù)的開發(fā)，以造福退伍軍人，今年早些時(shí)候，他的實(shí)驗(yàn)室還從國家科學(xué)基金會(huì)獲得了58.4萬美元的贈(zèng)款。
驗(yàn)證了一個(gè)假設(shè)
通常，電動(dòng)假肢的目的是通過增加踝關(guān)節(jié)的能量來降低步行的代謝成本，這是生理學(xué)上的。
相比之下，這項(xiàng)研究所提出的外骨骼方法旨在通過在髖關(guān)節(jié)增加非生理性能量來降低行走的代謝成本。自主動(dòng)力髖關(guān)節(jié)外骨骼已成功降低了年輕個(gè)體行走甚至跑步的代謝成本。然而，髖外骨骼是否能降低膝上截肢患者的代謝成本尚不清楚。
在試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的支持下， 本研究驗(yàn)證了一個(gè)假設(shè)，即動(dòng)力髖外骨骼可以通過在殘余髖關(guān)節(jié)處注入能量來降低膝上截肢患者行走的代謝成本。
研究人員對(duì)膝上截肢患者（6人）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他們?cè)谟谢驔]有自主、單側(cè)動(dòng)力髖外骨骼的情況下行走。參與者在跑步機(jī)上以1米/秒的速度行走，或在12米步行道上移動(dòng)，動(dòng)力髖外骨骼可在屈曲和伸展時(shí)提供輔助扭矩。
根據(jù)每個(gè)參與者的主觀偏好及實(shí)驗(yàn)者的經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)調(diào)整其屈曲和伸展的峰值及其各自的時(shí)間。在跑步機(jī)試驗(yàn)期間，使用間接量熱法測(cè)量代謝能量消耗，為了避免任何潛在的混淆效應(yīng)，參與者不允許使用跑步機(jī)的扶手。
圖｜外骨骼裝備在跑步機(jī)上以1米/秒運(yùn)動(dòng)時(shí)的參數(shù)值（來源： Nature Medicine ）
在跑步機(jī)試驗(yàn)中，每個(gè)參與者的步行代謝成本計(jì)算為總代謝能量消耗減去放松站立期間測(cè)量的代謝消耗，在6名參與者中，動(dòng)力髖關(guān)節(jié)外骨骼使步行的代謝成本平均降低15.6±2.9%。
此外，研究人員還計(jì)算了所有參與者的平均髖、膝和踝關(guān)節(jié)角度。有外骨骼時(shí)殘余髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍也明顯大于無外骨骼時(shí)的活動(dòng)范圍，具體而言，在有和沒有外骨骼的情況下，殘余髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍分別為49.42°和46.54°。
值得注意的是，外骨骼輔助下的殘余髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)在參與者之間存在顯著差異，髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍在37.97°和59.08°之間，屈曲扭矩在56.7%和64.2%的步幅之間達(dá)到峰值，伸展扭矩在9.4%和14.3%的步幅之間達(dá)到峰值。平均而言，69.0%的外骨骼輔助能量發(fā)生在屈曲期間。
在地面測(cè)試中，所有參與者以自己選擇的速度在有外骨骼和沒有外骨骼的情況下在地面上行走，外骨骼輔助的調(diào)整與跑步機(jī)試驗(yàn)相同。由于自主選擇的行走速度更快，外骨骼在地面上的輔助力量高于在跑步機(jī)上，在行走速度、重心運(yùn)動(dòng)學(xué)或時(shí)間步態(tài)對(duì)稱性方面未觀察到顯著差異。
裝備還有很大優(yōu)化空間
迄今為止，膝上截肢患者最有效的輔助設(shè)備是微處理器控制的假體，這項(xiàng)技術(shù)于20世紀(jì)90年代引入市場(chǎng)，與20世紀(jì)50年代推出的上一代假肢相比，微處理器控制的假肢步行經(jīng)濟(jì)性提高了5–6.5%左右。與單獨(dú)使用假肢行走相比，論文里的自主動(dòng)力髖關(guān)節(jié)外骨骼進(jìn)一步將步行經(jīng)濟(jì)性提高了15.6%。
圖｜其他團(tuán)隊(duì)開發(fā)的機(jī)械假肢（來源：STAT）
研究人員在論文中提到，與本研究中觀察到的情況相比，通過補(bǔ)充對(duì)側(cè)髖關(guān)節(jié)（即健側(cè)髖關(guān)節(jié)）的代償作用， 雙邊協(xié)助可能導(dǎo)致更高的代謝節(jié)省。另一方面，與建議的單側(cè)髖部外骨骼相比，雙側(cè)外骨骼將更重，對(duì)用戶具有侵?jǐn)_性，因此，目前尚不清楚雙邊援助是否比單邊援助更有效。
在本項(xiàng)目研究中，實(shí)驗(yàn)者根據(jù)參與者的經(jīng)驗(yàn)和主觀反饋，為每個(gè)參與者手動(dòng)調(diào)整髖關(guān)節(jié)援助，手動(dòng)調(diào)節(jié)大約需要15分鐘，在這期間，參與者以2到3分鐘的周期步行不到10分鐘。盡管手動(dòng)調(diào)整旨在最大化外骨骼在屈曲和伸展方面的輔助作用，但參與者始終傾向于更高的屈曲力而非伸展力。
研究人員提出了 控制算法，該算法可在人行走時(shí)自動(dòng)優(yōu)化外骨骼輔助，以最小化代謝成本。這種自動(dòng)調(diào)整方法可能會(huì)帶來最佳的幫助，然而，與本研究中使用的手動(dòng)非最佳調(diào)節(jié)相比，自動(dòng)最佳調(diào)節(jié)需要更多的步行測(cè)試時(shí)間（例如64分鐘），較長的調(diào)節(jié)時(shí)間可能對(duì)截肢人群構(gòu)成挑戰(zhàn)。此外，自動(dòng)調(diào)諧沒有明確地考慮主觀偏好，這些缺點(diǎn)可能解釋了為什么自動(dòng)調(diào)節(jié)尚不能成功降低截肢患者行走的代謝成本，方案仍有待改進(jìn)。
更進(jìn)一步而言，將來通過手術(shù)干預(yù)，如骨整合或大腿成形術(shù)等來解決更多問題。如果能夠在保持用戶舒適的同時(shí)增加輔助扭矩，研究人員就可以增加電動(dòng)外骨骼注入的能量，進(jìn)一步降低行走的代謝成本，這為截肢患者建立新的護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)提供了全新方案。
不過，該研究最重要的局限性在于，樣本人群相對(duì)較小且同質(zhì)（6人，均為僅外傷性截肢），這導(dǎo)致研究人員仍然缺乏對(duì)所觀察到的代謝改善的機(jī)械解釋，包括對(duì)屈曲和伸展輔助的相對(duì)貢獻(xiàn)的評(píng)估。在跑步機(jī)上觀察到的步行經(jīng)濟(jì)性改善擴(kuò)展到地上步行，但沒有測(cè)試這些結(jié)果是否能延伸到現(xiàn)實(shí)生活中常見的傾斜和不平地形，同時(shí)也缺乏對(duì)主觀偏好的定量評(píng)估，這對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中的可接受性至關(guān)重要。
在未來的研究中，通過反向動(dòng)力學(xué)和肌電圖評(píng)估關(guān)節(jié)水平的扭矩和作用力，可能會(huì)為觀察到的代謝改善提供更加深入的機(jī)械解釋，此外，探討雙邊和單邊外骨骼裝備援助之間的權(quán)衡也很有意思，可能要設(shè)計(jì)全新的動(dòng)力和被動(dòng)假肢結(jié)合方案。
這些知識(shí)將支持所提議的輔助裝置的工程優(yōu)化，對(duì)擬議干預(yù)的臨床成功至關(guān)重要。
Lenzi表示：“國家科學(xué)基金會(huì)的撥款將使我們能夠繼續(xù)這項(xiàng)工作，并制造出更好的設(shè)備來幫助更多的殘疾人恢復(fù)行走能力”。
論文鏈接：
https://attheu.utah.edu/facultystaff/power-walk/
https://www.nature.com/articles/s41591-021-01515-2
本文來自微信公眾號(hào) “學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學(xué)術(shù)頭條，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
