哈佛医学院

　　肘部“可穿戴式机器人”

　　据美国《理疗和康复》杂志近期的一篇研究报道，一款为瘫痪的肌肉提供辅助动力的实验型机器人，有望恢复卒中瘫痪患者的手臂运动。这项研究的主要负责人，是哈佛医学院博士兼任思培尔丁康复医院医学办公室主任的Joel Stein博士。

　　这种机器人设备正在申请FDA认可，目前已经在美国麻省理工学院临床研究中心和波士顿的思培尔丁康复医院对卒中患者进行试验。结果表明，这项设备为瘫痪肌肉提供辅助动力的功能可能有助于关闭大脑意识的反馈回路，实际上四肢运动被认为是动力恢复大脑适应性的主要部分。

　　研究人员说：“原则上，‘外骨骼’或者叫做‘可穿戴式机器人’的设备如同一根‘拐杖’，可帮助患者做康复训练，或者拥有像动力矫形器那样的功能，可对肌肉的慢性衰弱进行代偿。”

　　这种可穿戴式便携设备是由一个轻型的自动化肘支架组成，在其上还安装了一个检测肌电信号的计算机系统。这种设备允许患者通过尝试移动手臂的动作来控制受损的肌肉。计算机系统检测、处理肌电信号并把它传送到运动靶器官，增强受损肌肉的活动。

　　“因为运动只有在肌电信号存在的条件下才能发生，所以是由病人而不是机器控制受损手臂的运动，机器仅仅是增强由患者自动触发的肌肉活动性的运动。”Kailas Narendran说，他是美国麻省理工学院活动关节支架（AJB）的科学家，而且是Myomo公司的创始人之一。

　　他的同事，同样是美国麻省理工学院活动关节支架的科学家和Myomo公司的创始人，John McBean补充说：“这种设备的功能相当于汽车的动力方向盘，要由病人发动并控制移动，而机器人则只是在病人自发活动的基础上提供辅助动力。”

　　Stein博士和他的同伴们在7个患有严重肌无力的卒中患者身上，进行了AJB的可行性研究。其中只有一位患者不能完成相应的动作，因为他的肌电信号太弱，系统无法检测到。

　　在6～9周内，每位患者都使用这种机器人完成了18个小时的练习。而每次上肢的定向功能性练习差不多要60分钟。所有的患者都能成功地控制机器人AJB来帮助他们做肘关节的伸曲动作。

　　研究显示，在卸除这种设备后，患者的手臂功能有了明显的改善。在手臂活动的标准测试中平均分数提高了23%。肌肉的僵直状态评分也有所提高。并且无任何并发症。大部分患者说他们很愿意学习使用AJB，并感觉到他们在手肘的控制和手臂的使用上有了明显的提高。

　　“如果不使用这种设备，很多患者都不能完成这些运动，也不能通过锻炼改善肌肉的功能。”Stein博士说，“通过这种设备在使用者完成某种运动时提供的动力辅助功能，可以提高使用者手臂的活动能力。因此，这种设备就相当于人脑先天功能的促进剂，通过练习也提高了人脑的功能。”

　　卒中之后，很多患者都会留下一侧肢体的严重衰弱或瘫痪。虽然目前的康复措施能在一定程度上提高患者肢体的功能，但大部分有严重上肢瘫痪的患者，其上肢功能恢复并不满意。

　　“初步研究表明，使用动力‘外骨骼’矫形器在帮助卒中患者康复训练方面具有可行性。”研究人员说，结果还提示，AJB有可能用于帮助提高卒中、脑损伤和其他神经系统疾病患者的上肢运动功能。

　　研究人员提出了AJB的两种可能的治疗

　　用途。第一，如初步研究所示，它可辅助康复训练，或者提供肌肉控制，或者重建肌肉强度；第二，它也可用作为一个动力支架，为患有慢性肌无力或瘫痪（如脊髓损伤）患者的日常生活提供协助。为了使AJB更加轻便、好用、舒适，研究还需要进一步深入。

　　加州大学

　　手-腕部机器人装置

　　日前，美国加利福尼亚州立大学的研究小组称，他们研制的一种新型机器人治疗设备如同另一根“拐杖”，可能会帮助卒中后的患者恢复力气，并且可以正常使用受到卒中影响的患侧手指。使用手-腕部机器人协助装置（Hand-Wrist Assisting Robotic Device，HOWARD）治疗几个疗程后，那些手部正常活动受到损害的卒中患者报告说，他们抓握和释放物体的能力有所改善。每位卒中患者都会发生中度肌无力后遗症以及右手功能减弱，虽然受影响的手既不会完全麻痹也不会完全丧失感觉。卒中后至少3个月，有7例女性和6例男性患者参加了使用该机器装置的试点研究。

　　加州大学神经学、解剖学、神经生物学副教授，同时也是该项研究的主要作者Steven C. Cramer在旧金山美国卒中协会主办的2007国际卒中会议上报告了HOWARD的研究成果。Cramer博士称：“大部分自发的功能改善都发生在卒中后的前3个月内，在此阶段之后患肢功能改善就没有什么进展了。此后，机器辅助治疗可能会帮助刺激大脑，并且使无力的四肢慢慢恢复功能。”此前，机器人辅助设备已经可以用于改善卒中患者肩膀和腿的功能。Cramer博士称，此项研究是最早尝试专门帮助手部功能的研究之一。

　　加州大学研究人员开发的这一HOWARD设备，可以帮助患者抓握和释放日常生活中常见的物体。该机器装置缠绕在患者受损的手臂上，并且与计算机程序连接，通过仪器设定的物理治疗程序来指示病人进行训练。HOWARD使用者在仪器的帮助下开始手部运动，配以机器监视和辅助活动来达到治疗的目标。

　　Cramer博士说：“患者并不是被动地接受HOWARD治疗，病人必须启动程序并开始发动指令。如果患者的手太虚弱无力，只能移动十分之一英寸，那么此时HOWARD仪器就可以帮助他完成此项任务，这样大脑可以重新学习如何完成整个运动。”

　　在加州大学的研究中，每位患者（平均年龄63岁）需要在3周内完成15个2小时的治疗周期，这些治疗旨在改善他们抓握和释放物体的能力。所有患者都使用HOWARD治疗了15个疗程。其中7例患者在所有的疗程中都依靠HOWARD来帮助其完成运动，而6位患者仅在后半个疗程完全依靠了HOWARD的帮助。

　　治疗3周结束后，所有的病人抓握和释放物体的能力都得到了改善。在功能评估手臂测试（测量执行日常任务的能力，如抓木块、握酒杯、捏起小块的石头或者轴承滚珠、或者把手放到头上等）中的平均分数提高了将近10%。并且他们在Box-and-Blocks测试（评估手工灵活性，在1分钟内将木块从盒子的一边移到另一边）中的平均分数上升了将近20%。病人手和腕部的活动范围也扩大了17%，而且在被称为Fugl-Meyer评分法的标准作业疗法评定工具中患者被评为劳动能力丧失的程度也有所减轻。Cramer博士说：“评估每位患者治疗前后得分的变化，发现使用该设备治疗3周后有非常显著的改善。”

　　该研究小组现在正利用他们从研究参与者身上得到的数据创造“第二代HOWARD”，研发经过改良的机器手以及更多的软件选项，从而可以逐步提供个性化的治疗，以维持患者的治疗兴趣。

　　相关设计

　　辅助患肢理疗的新仪器

　　最近，位于苏格兰的阿伯泰邓迪大学研制出了一项可以缩短理疗等待时间的新技术。该所大学计算机创造技术学院的研究人员开发出了智能负重机器人，它可以按照程序来记忆并重复特殊的肢体运动。这一新系统被命名为“NeXOS”，它将使理疗学家能够针对下肢有问题的患者制定特殊的训练程序。该系统同样适用于小腿或脊髓损伤患者以及卒中患者。

　　此类患者需要定期对受损的肢体进行训练，使肌肉保持强壮并且还能防止骨矿物质密度降低。苏格兰目前有将近28,000人在等待物理治疗。NeXOS可以完全像理疗学家希望的那样，锻炼患者的腿，但并不需要理疗学家亲自在场。因此，每位治疗学家就可以治疗更多的患者，这样也就大大地缩短了患者需要等待治疗的时间。

　　NeXOS既可以满足每位病人不同需要的特定训练，还可以监视每位患者对治疗的反映，并将数据反馈给理疗学家，如果有需要，甚至还可以通过网络发送反馈信息。

　　这使在常规诊所以外的地方使用NeXOS成为可能，医生可以将NeXOS安装在健身房、运动中心甚至患者家里。这样，患者就可以随时随地地训练患肢，理疗学家也可以监视训练过程，并通过远程控制对装置进行相应的调整。

　　NeXOS通过使用特殊的气体力学技术，使它可以按照程序设定来改变动力和阻力的大小。动力用来移动不能动的四肢，而逐渐增大的阻力可以用来促进肌肉恢复力气。

　　该仪器设计的最初目的，是成为一个可以帮助下肢永久残疾的病人灵活移动的智能负重机器人，但是在研究过程中，Bradley教授和他的同事们很快意识到可以将此设计理念改良，让其首先成为下肢暂时有问题患者的康复工具。

　　研究人员设置了12个理疗过程，准确记录了病人的脚和腿是如何接受理疗处理的，并且将这些动作转化为在三维空间描述动作的数学模型内。然后使用这些公式进行编程，从而使负重机器人可以按照需要灵活运动。结果，理疗学家可以调整每个运动的范围、速度和方向，确保病人得到适合他（她）的病情的治疗。