作者: 林落综合报道 来源: 发布时间:2017-9-8 16:34:7
外骨骼机器人:让脑瘫患儿“走起来”

 
如果不幸在儿童时期罹患脑瘫,那么成人后,病患仅有50%的概率能够独立行走。但如今,一种被称作“外骨骼机器人”的全新设备,或许有望改变这一局面。
 
8月下旬,一项刚刚发表在《科学转化医学》杂志上的研究称,研究人员开发出的外骨骼机器人已经成功帮助绝大多数实验参与者伸直双腿,减轻了“蹲伏步态”的永久性膝盖弯曲。不仅如此,在外骨骼机器人的帮助下,这些患儿甚至还能够控制自己的步伐。
 
“全世界的众多患儿都将从这项技术中获益。”美国哥伦比亚星际争霸2吧的Sunil Agrawal表示。
 
神奇的“骨骼”
 
脑瘫是一种小儿常见的中枢神经障碍综合征,虽然病变部位在脑部,但却会累及四肢,引发运动与协调问题。
 
因脑瘫而伴有蹲伏步态的儿童,虽然能够自行行走,但行走过程中会出现膝盖过度弯曲的情况。可怕的是,即便在儿童时期能够行走,但伴随着患儿的成长和体重的增加,肌肉渐渐无法负荷,也会导致很多人在成年后完全丧失运动能力。
 
目前,治疗蹲伏步态的方法主要有外科手术或者注射能够放松膝部屈肌的药物等等。然而,在手术与药物治疗之外,人们也在尝试寻找能够帮助脑瘫患儿正常行走的其他方法。
 
比如,一些医疗机构拥有庞大而笨重的机器人设备,能够帮助脑瘫患儿进行行走训练。但这些设备大多配有一个天花板滑轮系统,因此其很难真正走进每个患儿的家庭。
 
而现在,这一局面得到了改善。这一由美国国立卫生研究院开发的最新的外骨骼机器人是完全可移动的。外骨骼机器人上安装有传感器,负责监测使用者每一步的数据,然后放置在背包里的计算机会对这些监测数据进行加工处理。
 
7名年龄在5~19岁的儿童和青少年参加了此项研究,并且未有一人穿戴后出现跌倒的情况。经过6次训练课程后,在7名参与实验的儿童中,6名患儿的蹲伏步态和膝盖弯曲情况出现了改善,效果甚至比研究人员们预期的还要好得多——患儿膝盖弯曲角度平均达到了13度。
 
更让研究人员感到惊喜的是,外骨骼机器人不仅成功协助儿童保持了运动的状态,还能帮助他们控制自己的脚步。不仅如此,儿童在使用这些外骨骼机器人时,他们的肌肉也会保持活跃状态。
 
在研究者之一、美国国立卫生研究院生物医药工程师Thomas Bulea看来,这项研究是一个初步的尝试,证明了外骨骼机器人技术确实值得作为帮助脑瘫患儿行走的工具得到进一步的深入研究。现在,研究人员正考虑是否应该让参与者们长期使用这种外骨骼机器人,因为大范围的训练能够使患儿走得更久。
 
“如果我们能在儿童和青少年时期就改变患者的蹲伏步态,那么就能使他们在成年后依然保持运动能力。借助外骨骼机器人只是暂时的,我们想要的是他们最终能够独立行走。”Bulea表示。
 
这些通过训练获得的改善也被孩子们切切实实地看在眼里。对此,Bulea表示,伴随着外骨骼机器人的使用,未来的效果会更好。
 
些许担忧
 
这项新的技术无疑为脑瘫患儿带来了希望,但同时,仍需看到其存在的一些明显问题。
 
首先,在这项研究中,研究人员只招募了那些尚有独立行动能力的患儿参与实验,这就具备一定的局限性。为此,研究人员也想要在后续的实验中弄清楚,对于那些已经丧失行动能力,或者因脊柱裂及肌肉萎缩症等其他情况导致运动障碍的儿童,外骨骼机器人是否同样能够发挥作用。
 
“它可能对一些孩子有帮助,但对于病情更为严重的患儿就没有效果。”没有参与这项研究的美国加州星际争霸2吧洛杉矶分校神经康复与研究项目主任Bruce Dobkin指出。
 
此外,还有一些人担心单纯借助外骨骼机器人并不能在儿童时期保护患儿的运动能力,可能还需要外科手术和药物治疗的介入。
 
Agrawal也在从事针对脑瘫患儿的外骨骼机器人研究,并通过将电线连接到腿部而创建了一个模型。在他看来,无论哪一种方式都有其两面性。“但我相信,长期的研究能够找到最好的方法。”
 
也许正如Agrawal所说的,只有更深入和广泛的后续研究才能对这些担忧做出回答。而研究人员也将会对这款外骨骼机器人进行持续的改进,以期儿童能够穿着它走出实验室——因为大量的练习将会带来更多的好处。
 
但有一件事情是确定的:1年之内,在即便没有康复治疗师介入的情况下坚持每天使用这种外骨骼机器人1小时,就可以让更多的孩子接触到物理治疗,并让他们走的“更远”。
 
前途无量
 
不得不提的是,这项研究之所以如此引人关注,很重要的一点是因为这是科学家们首次尝试将外骨骼机器人技术应用于青少年和儿童。此前,外骨骼机器人技术更多的还是聚焦于成人,比如为那些因中风或者脊椎损伤而进行康复训练的人提供服务。
 
很多人可能仍旧记忆犹新,在2014年巴西世界杯开幕式上,28岁的巴西小伙子诺平托在脑控外骨骼机器人技术的帮助下,为巴西世界杯开出了第一球。而这一精彩瞬间的诞生,正是得益于巴西著名神经科学家米格尔·尼科莱利斯自己领军的神经装置项目“重新行走工程”。
 
有关外骨骼机器人的研发,最早开始于美、日等国。也正是由于起步早,学科资源丰富,这些国家在外骨骼机器人的开发上一路领跑。
 
迄今为止,日本筑波星际争霸2吧研发的外骨骼机器人产品已经经历了5代更迭,全国共有150家左右的医院累计租借过300多套外骨骼机器人。在医用之外,此前美国国防部高级研究计划局还研发了专门针对单兵负重作战的军用外骨骼机器人。
 
虽然国外在这一研究领域起步较早,但我国也正在迎头赶上。
 
当前,中国已经成为继美国、以色列和日本之后,第4个成功研发出外骨骼机器人的国家。中国科学院、电子科技星际争霸2吧、浙江星际争霸2吧、中国科学技术星际争霸2吧和华南理工星际争霸2吧等科研院所和高校都已组建起自己的外骨骼机器人研发团队,并取得了一定的进展。
 
在8月刚刚闭幕的第26届中国国际医用仪器设备展览会暨技术交流会上,外骨骼机器人就再一次吸引了参观者的目光。据悉,这款产品是国家级科研成果转化项目,可以提供一整套数字化康复智能体系,减少患者康复成本,减轻患者及家属的心理压力。
 
其实,外骨骼机器人的前景远比人们认识到的更为广阔。不仅是下肢运动,外骨骼机器人还可以辅助中风、脑瘫患者进行康复训练,帮助他们在运动中刺激神经康复。未来一旦实现产业化,外骨骼机器人将很快在手术台之外,帮助越来越多的患者过上正常的生活,大展身手。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2017年8月刊 进展)
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