整形外科

机械是身体的延伸——新型假肢和矫正器械的科技进展

作者:佚名 来源:生物360 日期:2016-11-07
导读

          四十年前,在一场电气事故中,Les Baugh失去了双臂。由于是齐肩截断,多年以来他能够选择的义肢手臂一度受限。但是在两年前,这一情况发生了改变。Baugh在约翰霍普金斯医院接受了外科手术,他可以通过使用胸部的神经来操控先进的机械手臂了。在10天的训练之后,他可以同时控制双侧机械手臂完成一些动作,比如将杯子从一个低的架子上放到高的架子上,这在以前是一个不可能完成的任务。

关键字:  新型假肢 | 矫正器械 

        四十年前,在一场电气事故中,Les Baugh失去了双臂。由于是齐肩截断,多年以来他能够选择的义肢手臂一度受限。但是在两年前,这一情况发生了改变。Baugh在约翰霍普金斯医院接受了外科手术,他可以通过使用胸部的神经来操控先进的机械手臂了。在10天的训练之后,他可以同时控制双侧机械手臂完成一些动作,比如将杯子从一个低的架子上放到高的架子上,这在以前是一个不可能完成的任务。

        这只是其中一个让人印象深刻的技术进步,在近几年中很多假肢设备的技术都取得了不错的进展。无论是用机械模拟人类膝关节还是用脑信号控制机械手臂,全球范围内的研究者都在挖空心思让各种义肢能够更好。矫正设备同样取得了不错的进展,可以帮助士兵更舒适的负重,帮助中风患者更好的控制肢体运动等。

更好的膝盖

        其实,你可以从橡皮筋的物理中学到很多东西。Heike Vallery博士开发了一款新型假肢设备,旨在帮助那些膝盖上部截肢的人群能够保持一个非常有活力的生活方式。

        “现在的很多设备依然让他们的生活受限,”Vallery表示,她是荷兰代尔伏特理工大学机械工程的副教授。“我们试图复制人类膝关节的灵活性。”

        这款基于ANGELAA(对角依赖性弹性制动器)理论的义肢重量很轻,与真实人腿一样重。当迈出一步时,机动膝盖假肢能够复制人类膝盖生理变化的刚度。为了开发这个原型,Vallery和她的同事们研究了人类膝关节的扭矩和刚度在步态周期中的变化,并把它做成了一个函数。

        现在,患者已经可以成功使用这款设备在实验室中走路和爬楼梯,也许未来它也可以让用户跑步,开发者现在还未测试这样的应用。

        Vallery希望以后能够在假肢中使用更轻盈的材料。现在这款设备面对的主要挑战是供能的问题。目前,ANGELAA假肢与一台电脑和电源相连接,这无疑是个弱点。不过,有一些其他的团队目前正在研发技术,利用身体的动能积蓄给假肢供能。例如,位于加拿大不列颠哥伦比亚省的Bionic Powe公司,以及位于宾夕法尼亚州的KCF Technologies,都在开发新技术,可以允许假肢通过步行自行充电。

        另一个挑战是改善假肢与腿部的接触面。Vallery指出,还希望价值可以更加智能,这样它可以通过人类肌肉系统控制,她说所有的终极目标就是“使人成为设备真正的主人。”

机电假肢腿

        很多团队都在致力于开发机电假肢的工作。来自芝加哥康复学院神经工程假肢和矫形实验室的Levi Hargrove博士和他的多学科(康复)综合团队通过皮肤电极收集肌动电流图(EMG)信号,并将之解码用于控制机器人腿部。

        “它们记录由肌肉产生的电信号——甚至截肢的肌肉产生的这些,” Hargrove解释道,“我们对这些信号进行解码并告诉(假)腿该如何行动。”

        EMG信号与来自假肢上的传感器的信号集成,产生一个控制系统,根据用户的需要自动调整站立、爬楼梯、走向上或向下的斜坡等腿部动作。

        在测试刚刚开始时,会要求人们在家中使用。“这是非常重要的,我们要检查它对于用话来说是否安全、可靠,” Hargrove指出。跟据现在的情况,Hargrove预计产品走向市场需要5年的时间。“对于假肢领域这是一个相当短的时间表,”他说。

机器人手

        腿并不是唯一整合EMG信号的义肢。最新的一项商业假肢手也应用了肌电原理。德国假肢公司Ottobock开发了Michelangelo假手,通过主驱动器控制七种可能的抓握类型。来自英国假肢公司Steeper的 bebionic3则技高一筹,有14中抓握模式。

        这些肌电机器人手可以使截肢的用户完成一些日常的任务,例如吃东西、打字、搬运物品、穿鞋以及开门等。只有一个问题这些机械手不能做,就是对于手部所做的动作给予触觉反馈。

        来自意大利生物仿生学研究所的Christian Cipriani博士和他的同事们一直在开发肌电控制的机械手,它通过离散震动触觉向用户提供手部的感官反馈。

        “每当你接触和释放一个物体时,你都能感觉到这种微小的振动,”他解释说。这些振动被传递到大脑,在那里有助于提高电机的控制。

        例如,当一个人用杯子喝水时,他会感觉到前肢接触到杯子的振动,这会告诉大脑自动执行下一个环节,拿起杯子。

        2015年的研究中,五名患者尝试了这款DESC手套(discrete event-driven sensory feedback control glove)。为期一个月的家用试验和实验室测试表明,整合传感器反馈能够改善患者对他们假肢的控制。

定向肌肉神经再支配

        对于Les Baugh这样肘部以上以及肩部截肢的人群来说,一项被称为定向肌肉神经再支配的前沿技术彻底改变了曾经的游戏规则——尤其是肩部截肢的人群现在无法使用其他的义肢设备。

        “我看到过他们泪流满面,”来自约翰霍普金斯应用物理实验室的首席工程师Michael McLoughlin先生说,“在长达十年甚至更久的截肢之后,他们突然可以再次移动他们的手臂,这是对于患者来说是个有力的经历。”

        在定向肌肉神经再支配这项技术中,控制手臂、手腕以及手部运动的神经被搭载到其他的肌肉上,例如胸部的肌肉。表面电极搜集来自这些肌肉的EMG信号,模式识别算法转换这些信号,然后他们可以控制机械假肢手臂的运动了。

        机械手上有近200个传感器,包括手腕上以及指尖上的扭矩力及压力传感器。只是这款产品还处于原型阶段,用户还不能在家里使用它们。

        McLoughlin先生说,现在没有一个足够大的市场,使双臂在商业上可行,“但是可以肯定的是技术准备好了。”

        另外一种扩大这个技术使用的范围是将之应用于矫形设备。设想一下,有一种类似于外骨骼的设备可以帮助中风的患者。事实上,这种矫形外骨骼已经在开发当中了。

可穿戴机器人

        哈佛大学威斯研究所正在开发一种动力服装。

        研究人员Conor Walsh 说,“这种软性可穿戴机器人是用织物与人体接触的,我们通过马达和电缆的力量对人体的腿部关节提供援助。”

        图中是哈佛大学威斯研究所开发的软性机器人的原型。

        虽然设备仍处于早期开发阶段,但是团队已经让几位士兵对这款动力服装进行了测试。测试表明这种动力服装能够帮助军事人员进行更好的负重任务。

        团队还在测试中风患者对这款设备的使用。“我们希望可以帮助他们更省力的走路,这样就更容易使自己的步态均衡,” Walsh 说。

        下一代的假肢和矫形设备无疑有着巨大的商业潜力,对于很多人来说,有一天假肢和外骨骼等设备不仅仅是一个假肢和工具,也是我们身体的一部分,是自己身体的延伸。

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