撰文：庫(kù)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(wàn)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(wèn)題。
為了改善被截肢殘疾人的行走難題，美國(guó)猶他大學(xué)仿生工程實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)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(lái)幫助下肢截肢者行走，就像電動(dòng)自行車(chē)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(lái)可大幅提升膝上截肢患者的生活質(zhì)量。
圖｜裝備測(cè)試（來(lái)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(guò)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(jué)吃力，因?yàn)樗麄円^(guò)度使用殘肢和其余的肢體肌肉來(lái)補(bǔ)償來(lái)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(guò)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(chēng)和甚至是無(wú)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(méi)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?！?nbsp;
圖｜動(dòng)力髖關(guān)節(jié)外骨骼和實(shí)驗(yàn)裝置（來(lái)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(xiàn)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(méi)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(lái)，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(lái)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(jué)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)?！?nbsp;
七年前，Schaar在一次車(chē)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(méi)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)?！盨chaar補(bǔ)充說(shuō)。
Lenzi表示， 這種外骨骼可能在幾年內(nèi)就能問(wèn)世。美國(guó)國(guó)防部提供了98.5萬(wàn)美元贈(zèng)款資助了這項(xiàng)新的外骨骼技術(shù)的開(kāi)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(guó)家科學(xué)基金會(huì)獲得了58.4萬(wàn)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(guò)增加踝關(guān)節(jié)的能量來(lái)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(guò)在髖關(guān)節(jié)增加非生理性能量來(lái)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(guò)在殘余髖關(guān)節(jié)處注入能量來(lái)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](méi)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(lái)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(wú)外骨骼時(shí)的活動(dòng)范圍，具體而言，在有和沒(méi)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(méi)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(chēng)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(kāi)發(fā)的機(jī)械假肢（來(lái)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(guò)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(hù)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(lái)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(zhǎng)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(méi)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(lái)通過(guò)手術(shù)干預(yù)，如骨整合或大腿成形術(shù)等來(lái)解決更多問(wèn)題。如果能夠在保持用戶(hù)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(guò)，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?zhuān)▽?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(méi)有測(cè)試這些結(jié)果是否能延伸到現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)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(lái)的研究中，通過(guò)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?zhuān)送?，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(guó)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(lái)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(lái)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。
