新型电动“外骨骼”让截肢者轻松行走！能量花费均降15.6%

膝上截肢严重影响了数百万人的活动能力和生活质量，虽然市情上有一些腿部假肢能够赞助行走，但行走效率极低，步辇儿经济性差、使人劳累，这是限定患者移动性的一个紧张问题。

为了改进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职员开拓出了一套轻型动力外骨骼，该设备利用电机、微处理器和前辈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。

该研究小组的干系论文揭橥在《自然医学》杂志上。
实验数据表明，借助动力髋外骨骼赞助装备是提高截肢者步辇儿经济性的可行方案，能显著降落行走的代谢本钱，对活动性产生相称积极的影响，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，相称于卸下一个26磅重的背包

被截肢的人带上普通假肢行走困难，很大程度上是由于腿部的关键肌肉组织在手术过程中被切除了，市情上一些标准的假肢产品并不能完备复制人腿的生物力学功能，因此，膝上截肢者在行走时会觉得吃力，由于他们要过度利用残肢和别的的肢体肌肉来补偿来自假肢的能量不敷。

其余，生物力学仿照和非打算机个体实验表明，腿部踝枢纽关头在行走过程中供应了相称大的净正能量。
如果踝枢纽关头受损或缺失落，患者必须增加残肢和完全肢体的力量，以补偿缺失落的踝枢纽关头能量，从而形成不自然、不对称和乃至是无效的步态模式。

只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进膝上截肢患者的代谢本钱。

犹他大学机器工程研究所助理教授Tommaso Lenzi表示：“纵然你有移动臀部的能力，你的行走能力也会受到严重危害，缺少力量和活动范围。
”

图｜动力髋枢纽关头外骨骼和实验装置（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团队的外骨骼仅为利用者供应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，连接到利用者的大腿上，腰部的安全带包含定制的电子系统、微掌握器和运行前辈掌握算法的传感器，外骨骼的人工智能程序理解人如何移动，并帮助人移动，且实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，个中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，同时丈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，能量花费均匀降落了15.6%，这相称于卸下一个26磅（约11.79㎏）重的背包。

Lenzi先容，这是一个很大的进步，实验中截肢患者的行走代谢花费量险些与一个健全人的花费量没有差异。

另一个关键成分是，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股料和铝制成，总体下来，这套外骨骼只有5.4磅重（约2.45㎏）。

图｜带和不带外骨骼行走的代谢本钱比较（来源：Nature Medicine）

一名受试残疾人Stan Schaar表示：“我第一次利用它时，觉得我的肌肉完备与这个外骨骼领悟在一起，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，由于它帮忙于我的肌肉运动。
”

七年前，Schaar在一次车辆事件中压碎了腿，在随后的截肢手术中，年夜夫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，但这套装备非常靠近。
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。
美国国防部供应了98.5万美元赠款帮助了这项新的外骨骼技能的开拓，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得到了58.4万美元的赠款。

验证了一个假设

常日，电动假肢的目的是通过增加踝枢纽关头的能量来降落步辇儿的代谢本钱，这是生理学上的。

比较之下，这项研究所提出的外骨骼方法旨在通过在髋枢纽关头增加非生理性能量来降落行走的代谢本钱。
自主动力髋枢纽关头外骨骼已成功降落了年轻个体行走乃至跑步的代谢本钱。
然而，髋外骨骼是否能降落膝上截肢患者的代谢本钱尚不清楚。

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枢纽关头处注入能量来降落膝上截肢患者行走的代谢本钱。

研究职员对膝上截肢患者（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形下行走。
参与者在跑步机上以1米/秒的速率行走，或在12米步辇儿道上移动，动力髋外骨骼可在屈曲和伸展时供应赞助扭矩。

根据每个参与者的主不雅观偏好及实验者的履历，手动调度其屈曲和伸展的峰值及其各自的韶光。
在跑步机试验期间，利用间接量热法丈量代谢能量花费，为了避免任何潜在的稠浊效应，参与者不许可利用跑步机的扶手。

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，每个参与者的步辇儿代谢本钱打算为总代谢能量花费减去放松站立期间丈量的代谢花费，在6名参与者中，动力髋枢纽关头外骨骼使步辇儿的代谢本钱均匀降落15.62.9%。

此外，研究职员还打算了所有参与者的均匀髋、膝和踝枢纽关头角度。
有外骨骼时残余髋枢纽关头的活动范围也明显大于无外骨骼时的活动范围，详细而言，在有和没有外骨骼的情形下，残余髋枢纽关头的运动范围分别为49.42和46.54。

值得把稳的是，外骨骼赞助下的残余髋枢纽关头运动学在参与者之间存在显著差异，髋枢纽关头活动范围在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。
均匀而言，69.0%的外骨骼赞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率在有外骨骼和没有外骨骼的情形下在地面上行走，外骨骼赞助的调度与跑步机试验相同。
由于自主选择的行走速率更快，外骨骼在地面上的赞助力量高于在跑步机上，在行走速率、重心运动学或韶光步态对称性方面未不雅观察到显著差异。

装备还有很大优化空间

迄今为止，膝上截肢患者最有效的赞助设备是微处理器掌握的假体，这项技能于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比较，微处理器掌握的假肢步辇儿经济性提高了5–6.5%旁边。
与单独利用假肢行走比较，论文里的自主动力髋枢纽关头外骨骼进一步将步辇儿经济性提高了15.6%。

图｜其他团队开拓的机器假肢（来源：STAT）

研究职员在论文中提到，与本研究中不雅观察到的情形比较，通过补充对侧髋枢纽关头（即健侧髋枢纽关头）的代偿浸染，双边帮忙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比较，双侧外骨骼将更重，对用户具有侵扰性，因此，目前尚不清楚双边声援是否比单边声援更有效。

在本项目研究中，实验者根据参与者的履历和主不雅观反馈，为每个参与者手动调度髋枢纽关头声援，手动调节大约须要15分钟，在这期间，参与者以2到3分钟的周期步辇儿不到10分钟。
只管手动调度旨在最大化外骨骼在屈曲和伸展方面的赞助浸染，但参与者始终方向于更高的屈曲力而非伸展力。

研究职员提出了掌握算法，该算法可在人行走时自动优化外骨骼赞助，以最小化代谢本钱。
这种自动调度方法可能会带来最佳的帮助，然而，与本研究中利用的手动非最佳调节比较，自动最佳调节须要更多的步辇儿测试韶光（例如64分钟），较长的调节韶光可能对截肢人群构成寻衅。
此外，自动调谐没有明确地考虑主不雅观偏好，这些缺陷可能阐明了为什么自动调节尚不能成功降落截肢患者行走的代谢本钱，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办理更多问题。
如果能够在保持用户舒适的同时增加赞助扭矩，研究职员就可以增加电动外骨骼注入的能量，进一步降落行走的代谢本钱，这为截肢患者建立新的照顾护士标准供应了全新方案。

不过，该研究最主要的局限性在于，样本人群相对较小且同质（6人，均为仅外伤性截肢），这导致研究职员仍旧缺少对所不雅观察到的代谢改进的机器阐明，包括对屈曲和伸展赞助的相对贡献的评估。
在跑步机上不雅观察到的步辇儿经济性改进扩展到地上步辇儿，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，同时也缺少对主不雅观偏好的定量评估，这对付现实生活中的可接管性至关主要。

在未来的研究中，通过反向动力学和肌电图评估枢纽关头水平的扭矩和浸染力，可能会为不雅观察到的代谢改进供应更加深入的机器阐明，此外，磋商双边和单边外骨骼装备声援之间的权衡也很故意思，可能要设计全新的动力和被动假肢结合方案。

这些知识将支持所发起的赞助装置的工程优化，对拟议干预的临床成功至关主要。

Lenzi表示：“国家科学基金会的拨款将使我们能够连续这项事情，并制造出更好的设备来帮助更多的残疾人规复行走能力”。

来源：学术头条