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机器人驱动的设备改善了脑瘫患儿的蹲步
2021年01月08日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

在美国,每1000名学龄儿童中有3.6名被诊断出患有脑瘫(CP)。他们的症状包括步态异常,随着时间的推移会导致关节退化。


慢速行走,关节活动范围减少,步长短,身体摇摆大以及没有脚跟撞击是CP儿童所遇到的其他困难中国机器人网vrovro.com


这些孩子中有一部分表现出蹲伏步态,其特征是臀部,膝盖或脚踝过度屈曲。


机器人驱动的设备改善了脑瘫患儿的蹲步 中国机器人网,vrovro.com


今天,由哥伦比亚工程学院机械工程以及康复和再生医学教授Sunil Agrawal领导的团队在《科学机器人》中发表了一项先导研究,该研究证明了一种机器人训练方法,可以通过改善蹲伏步态的儿童来改善他们的姿势和行走肌肉力量与协调能力。


蹲伏步态是由无法产生足够的肌肉力量以保持姿势直立的伸肌无力,再加上会限制关节活动范围的屈肌所致。


在伸肌中,比目鱼肌(一种从膝盖下方一直延伸到脚跟的肌肉)在防止脚站立于地面的站立阶段中间的膝盖塌陷中起重要作用。


比目鱼的站立和行走至关重要,比目鱼肌在步态的中间姿势阶段可使小腿保持直立,以利于膝盖的伸展。它还在步态周期的后期站立阶段向身体提供推进力。


“蹲下步态的主要原因之一是比目鱼肌无力,”也是数据科学研究所成员的阿格劳瓦尔(Agrawal)说。“我们假设骨盆向下拉动行走会增强伸肌,尤其是比目鱼肌,以抵抗施加的向下拉动,并会改善行走过程中的肌肉协调性。


我们对这些儿童采取了与传统疗法相反的方法:代替部分悬浮体重在跑步机上行走时,我们训练了参与者进行增力行走。”


视频显示了机器人驱动的TPAD训练方法如何改善脑瘫儿童的蹲步步态。


该研究小组知道,当步态增加人体的重量时,比目鱼肌(单姿势支持过程中的主要负重肌肉)在小腿肌肉中的激活作用更强。他们认为加强比目鱼可能会帮助步态蹲伏的儿童更容易站立和行走。


为了验证他们的假设,该团队使用了Agrawal机器人与康复(ROAR)实验室发明的机器人系统-束缚骨盆辅助设备(TPAD)。TPAD是一种可穿戴的轻型电缆驱动机器人,可以对其进行编程,以在受试者在跑步机上行走时沿所需方向在骨盆上提供力。


研究人员与六个被诊断患有CP并表现出蹲伏步态的孩子一起工作,在六个星期的时间内进行了15次16分钟的训练。


孩子们在跑步机上行走时,他们穿着TPAD,是一条轻便的骨盆带,上面附有几根电线。每条TPAD线中的张力都由位于跑步机周围固定框架上的电机实时控制,基于来自摄像机的实时运动捕获数据。


研究人员对TPAD进行了编程,使其通过骨盆中心施加额外的向下力,以集中训练比目鱼肌的活动。根据健康儿童背着背包的结果,他们使用了相当于体重10%的向下力。这是显示步行过程中姿势或步态明显变化所需的最小重量。

 

该论文的主要作者,博士候选人Jiyeon Kang说:“ TPAD是一种独特的设备,因为它在行走过程中会在人体上施加外力。” “使用该设备进行训练是独特的,因为它不会在行走过程中增加人体的质量/惯性。”


该小组使用训练的第一和最后一课的肌电图数据检查了孩子的肌肉力量和协调能力,并在整个训练过程中连续监测运动学和地面反作用力。他们发现他们的培训是有效的。它既增强了孩子的直立姿势,又改善了他们的肌肉协调性。此外,他们的步行功能得到了改善,包括步长,下肢角度的运动范围,脚趾间隙以及脚跟到脚趾的样式。


视频显示了机器人驱动的TPAD训练方法可改善脑瘫儿童蹲下步态的前后结果。


Agrawal指出:“目前,尚无完善的物理疗法或加强运动来治疗蹲伏步态。”


负责治疗这些患者的哥伦比亚大学医学中心康复和再生医学教授,儿科学教授Heakyung Kim补充说:“参与这项研究的父母和孩子的反馈意见是一致的。他们报告说,他们的姿势改善了,腿部,更快的步行速度,我们的测量结果证明了这一点。


我们认为,机器人TPAD训练对骨盆向下牵引可能是对这些孩子非常有希望的干预措施。”


研究人员计划进行更多的临床试验,以测试更大的人群并改变更多的变量。他们还考虑研究患有偏瘫/四肢瘫痪CP的儿童。


这项研究的标题是“机器人驱动的骨盆向下拉以改善脑瘫儿童的蹲伏步态”。


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