让帕金森病患者顺利行走的可穿戴机器人技术
柔性机器人技术如何改变帕金森病的治疗方法
数据显示，全球有超过940万人患有帕金森病[1]，预计到2040年，这一数字还将大幅增加。随着病情的发展，高达80%的患者会出现步态冻结 (FoG)，其特点是患者会在行走时会意外停止，并致跌倒。
机器人技术的一项新进展促成了柔性可穿戴机器人的诞生，它能为帕金森病患者提供新的支持，帮助他们克服FoG。这项突破性技术在一项研究中展示了它的潜力，它改善了一名73岁患者的行动能力，这名患者冻结步态十分严重，平均每天发作10次以上，导致他经常跌倒。
这项名为 "Soft robotic apparel to avert freezing of gait (FoG) in Parkinson’s disease"（利用柔性可穿戴机器人来避免帕金森患者步态冻结）的研究发表在《自然·医学》杂志上。[2]
步态冻结会导致帕金森病患者突然失去移动双脚的能力，通常发生在行走的过程中，步幅逐渐变小，直到完全停止。目前治疗步态冻结的方法有一系列药物、手术或行为疗法，但效果都很有限。
迄今为止，可穿戴机器人在治疗中风、脑瘫和脊髓损伤等神经系统疾病方面已展现出良好的前景。波士顿大学萨金特健康与康复科学学院和哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 负责FoG研究的研究人员此前曾证明，一种柔软的可穿戴设备可以增加髋关节屈曲度，并协助腿部向前摆动，从而减少行走时的能量消耗。现在，一种借助机器人的类似方法正在帮助帕金森病患者避免FoG，这在全球尚属首次。
柔性可穿戴机器人服裝
帕金森病治疗领域的这一突破汇聚了各自领域的众多专家。康纳尔・沃尔什（Conor Walsh）表示：“利用柔性可穿戴机器人防止帕金森病患者步态冻结，需要工程师、康复科学家、理疗师、生物力学家和服装设计师的通力合作。”[3]这项研究就是他的团队与波士顿大学物理治疗系主任兼神经康复中心主任特里-埃利斯（Terry Ellis）教授团队密切合作的结晶。
研究小组通过改装以前的便携式髋关节外衣，设计出了能帮助髋关节屈曲的柔性机器人服装。这种可穿戴服装使用电缆驱动的致动器及佩戴在腰部和大腿上的传感器（图1），在腿部摆动时为患者的臀部提供轻柔的推力，从而使患者实现并保持更大的步幅。该服装配有一条腰带以及两条大腿带和悬挂式肩带，肩带由多层耐磨平纹织物和轻质定制帆布材料制成。致动器借助3D打印塑料部件安装在腰带前部，并使用尼龙搭扣固定在腰带后部。悬挂式肩带可防止腰带下滑。该设计只有一个开关，5-10分钟即可完成穿脱。
图1: 机器人服装固定在大腿和臀部周围，在腿部摆动时对臀部施加轻柔的推力，帮助病人在行走时迈出更大的步幅。(图源：Walsh Biodesign Lab/Harvard SEAS）
该服装采用小型绳绞盘设计，可产生髋关节屈曲。安装在腰部前端的两个绞盘各包含一个电机、编码器和一条横跨大腿的迪尼玛绳索。绳索的一端与电机相连，另一端通过金属扣与大腿缠绕物相连。这种可穿戴设备使用电缆驱动的致动器及佩戴在大腿和腰部传感器。致动器将扭矩传递到一个圆筒，以卷入绳索并在髋关节周围产生外屈运动。此外，还会通过算法估计步态的阶段，并触发致动器，在肌肉运动的同时施加辅助力。
为这款机器人服装提供动力的电子设备是一块配有微处理器、电机驱动器和两节锂离子电池的定制电路板。两个测量绳索张力的测压元件集成在大腿缠绕物中，另外两个连接在大腿缠绕物的前端。这套设备依靠每条腿的独立运动进行控制， 并使用算法计算距离、步长、步速、所有角度、髋关节屈曲度和运动范围。它最主要的一个优点就是轻便，且大部分重量都集中在腰部和大腿上。
沃尔什说：“我们发现，我们的柔性机器人服装只需提供少量机械辅助，就能产生立竿见影的效果，并能持续改善研究对象在各种条件下的行走能力。”
研究发现，该设备消除了参与者在室内行走时的僵硬感。这项研究可以让患者重新获得行动能力和独立性，使他们能够走得更稳、更远，最重要的是可以避免因FoG导致的跌倒。
患者的意见
研究小组在六个月的五次研究中进行了多次步行试验。由于人们对步态冻结还不完全了解，因此不可能确切地知道可穿戴机器人的工作原理。但它确实起到了作用，而且是即时的。无需任何特殊训练，患者就能在室内行走，不会出现任何冻结现象，在室外路面也只是偶尔出现一些情况。患者还能同时行走和说话而不会出现僵住的情况，这在没有可穿戴机器人时是非常罕见的。
参与者表示，机器人服装有助于将他的活动范围扩展到家以外的地方。用他们自己的话说："这件衣服能帮助我迈出更大的步幅，没有它时，我的脚拖地时间会明显变长。它真的帮了我大忙，我觉得这是向前迈出的积极一步。它可以帮助我走更长的路，保持我的生活质量"。
正如研究人员所说：“这项研究表明，使用柔性机器人服装可以避免帕金森病患者发生FoG，从而推动技术进步，满足这一严重但尚未得到满足的需求”。
结语
医疗机器人技术的这一发展可以说是帕金森病治疗领域的一个重大突破。这种方法改善了帕金森病患者的行动能力，并凸显了柔性机器人技术与治疗应用相结合的潜力。也许最重要的是，它为可穿戴机器人技术在许多医疗领域的更广泛应用铺平了道路。
作者简介
Carolyn Mathas曾是EDN、EE Times等多家媒体以及数家公司的自由撰稿人或网站编辑， 担任过Securealink和Micrium公司的营销总监，并且为飞利浦、Altera、Boulder Creek Engineering和Lucent Technologies等公司提供过公关、营销和撰稿服务。她拥有纽约理工学院的MBA学位和凤凰城大学的市场营销学士学位。
参考资料
N. Maserejian, L. Vinikoor-Imler, and A. Dilley. “Estimation of the 2020 global population of Parkinson’s disease (PD),” International Parkinson and Movement Disorder Society, https://www.mdsabstracts.org/abstract/estimation-of-the-2020-global-population-of-parkinsons-disease-pd/.
Jinsoo Kim, Franchino Porciuncula, Hee Doo Yang, Nicholas Wendel, Teresa Baker, Andrew Chin, Terry D. Ellis, and Conor J. Walsh. “Soft robotic apparel to avert freezing of gait in Parkinson’s disease,” January 5, 2024, https://www.nature.com/articles/s41591-023-02731-8.
Leah Burrows. “Soft robotic, wearable device improves walking for individual with Parkinson’s disease,” Harvard School of Engineering and Applied Sciences, https://seas.harvard.edu/news/2024/01/soft-robotic-wearable-device-improves-walking-individual-parkinsons-disease.