อ่อน, เครื่องช่วยเดินไบโอนิคน้ำหนักเบาอาจเป็นโอกาสครั้งที่สองสำหรับผู้ที่เป็นโรคหลอดเลือดสมอง

ขับเคลื่อนด้วยชุดหุ่นยนต์ตัวอ้วน, Iron Man สามารถกระโดดจากอาคารและทะยานสู่อวกาศได้. ทองคำและไททาเนียมของซูเปอร์ฮีโร่อาจดูดีเมื่อกำจัดคนร้าย, แต่คงจะเกินกำลังสำหรับการใช้เวลาช่วงเช้ากับหลานๆ. สำหรับผู้ที่กำลังพักฟื้นจากโรคหลอดเลือดสมองและต้องการกลับไปทำกิจกรรมที่ชื่นชอบ, มีบางอย่างที่ดีกว่า: นุ่ม, น้ำหนักเบา, เครื่องช่วยเดินแบบไบโอนิคที่รัดไว้ที่ขาและสามารถสวมใส่ได้ทุกที่.

Lou Awad และ Terry Ellis, อาจารย์กายภาพบำบัดที่มหาวิทยาลัยบอสตัน วิทยาลัยสุขภาพ & วิทยาศาสตร์การฟื้นฟูสมรรถภาพ: วิทยาลัยซาร์เจนท์, เป็นส่วนหนึ่งของทีมที่อยู่เบื้องหลังชุดทางการแพทย์, หุ่นยนต์สวมใส่ที่สามารถช่วยให้ผู้ที่มีโรคหลอดเลือดสมองเดินได้เร็วขึ้น, ไกลออกไป, และปลอดภัยยิ่งขึ้น. แทนไททาเนียมของไอรอนแมน, มีแผ่นปิดระบายอากาศที่ทำจากวัสดุที่เป็นกรรมสิทธิ์, สายบาง, และชุดมอเตอร์ขนาดเล็กที่ช่วยเลียนแบบกล้ามเนื้อและเส้นเอ็นของมนุษย์.

เทคโนโลยีดังกล่าวได้รับอนุญาตแล้ว และชุดดังกล่าวอาจวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์สำหรับใช้ในคลินิกในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า. นั่นจะเป็นการเปลี่ยนแปลงชีวิตคนนับพัน. ทุกปี, 795,000 คนอเมริกันเป็นโรคหลอดเลือดสมอง, ซึ่งทำให้เลือดไหลเวียนไปยังส่วนต่างๆ ของสมองได้ไม่ดี และอาจทำให้ผู้รอดชีวิตมีอาการอ่อนแรงเรื้อรังหรือเป็นอัมพาตได้, เปลี่ยนการเดินให้กลายเป็นงานที่น่าหงุดหงิด—แม้แต่อันตราย—. สำหรับ 15 ถึง 35 เปอร์เซ็นต์ของผู้รอดชีวิต, การเรียนรู้ที่จะเดินอย่างอิสระอาจใช้เวลามากกว่าหกเดือน. หลายคนที่หัดเดินอีกครั้งจะไม่ได้ความเร็วหรือความมั่นคงเท่าเดิม; ตาม การเชื่อมต่อจังหวะ นิตยสาร, เกี่ยวกับ 40 เปอร์เซ็นต์ของผู้รอดชีวิตทั้งหมดมีอาการทรุดลงอย่างรุนแรงภายในหนึ่งปีหลังจากเกิดโรคหลอดเลือดสมอง.

ธรรมชาติที่เท่าเทียมกัน

สำหรับหุ่นยนต์, exosuit นั้นพูดน้อย, สปอร์ตบราไฮเทคกว่าไซไฟไซบอร์ก; มันมีน้ำหนักเพียงประมาณ 10 ปอนด์. เซ็นเซอร์ขนาดเท่ากล่องไม้ขีดไฟติดที่ส่วนหุ้มด้านนอกของรองเท้าใกล้กับข้อเท้า, ขณะที่ผ้าพันสีดำ 2 ชิ้นปิดส่วนขาท่อนล่างและเอวเกือบทั้งหมด. สายเคเบิล, คล้ายกับที่ใช้ในการควบคุมเบรกจักรยาน, วิ่งจากด้านในรองเท้าของผู้สวมใส่ไปยังน่องและจากลิ้นรองเท้าไปยังหน้าแข้ง. มอเตอร์ - สวมรอบเอวและควบคุมโดยหน่วยคอมพิวเตอร์ที่โหลดด้วยอัลกอริทึม - ใช้แรงผ่านสายเคเบิลเพื่อช่วยให้ผู้สวมใส่เดิน

“ผู้ที่เป็นโรคหลอดเลือดสมองจะมีปัญหาเรื่องการงอหลัง, หรือการเว้นระยะห่างของเท้า,"เอลลิสกล่าว; พวกเขามีความสามารถลดลงในการงอข้อเท้าและยกเท้า. เมื่อพวกเขาพยายามวางส้นเท้าลงบนพื้นเพื่อเดิน, พวกเขาแทนที่จะ "ลากนิ้วเท้าและเท้าของพวกเขาถูกจับ" ชุด exosuit แก้ปัญหาดังกล่าวด้วยการดึงสายเคเบิลที่ติดกับลิ้นรองเท้าออก, ใช้แรงเล็กน้อยเพื่อยกนิ้วเท้าขึ้น. เมื่อผู้สวมใส่จำเป็นต้องก้าวไปข้างหน้า, สายเคเบิลด้านหลังหดเพื่อให้แน่ใจว่าเท้าของพวกเขาดันพื้น, การเคลื่อนไหวที่เรียกว่า plantar flexion.

exosuit สืบเชื้อสายมาจากหุ่นยนต์อ่อนที่ออกแบบมาสำหรับกองทัพโดยทีมงานที่ ฮาร์วาร์ด ไบโอดีไซน์ แล็บ ที่ สถาบัน Wyss สำหรับวิศวกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพ ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด. ชุดนั้น, พัฒนาโดยความร่วมมือกับ Kenneth Holt ของ Sargent, รองศาสตราจารย์กิตติคุณด้านกายภาพบำบัดและการฝึกกีฬา, มีวัตถุประสงค์เพื่อช่วยให้ทหารและเจ้าหน้าที่ฉุกเฉินสามารถบรรทุกของหนักได้โดยใช้ความพยายามน้อยที่สุด. ด้วยสายเคเบิลที่คล้ายกัน, ห่อ, และชุดมอเตอร์, มันทำงานประสานกับร่างกายเพื่อช่วยลดความเครียดที่เกี่ยวข้องกับการลากกระเป๋าที่มีน้ำหนักมาก. โดยใช้แรงช่วยพยุงที่ข้อเท้าและสะโพก, ชุดสูท—ซึ่งยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา—ช่วยลดปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการบรรทุกน้ำหนักเทียบเท่ากับ 30 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักตัวของผู้สวมใส่โดยประมาณ 7 เปอร์เซ็นต์, ตาม การศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนพฤษภาคม 2016 วารสารวิศวกรรมประสาทและการฟื้นฟูสมรรถภาพ.

ซาร์เจนท์ ศาสตราจารย์ด้านกายภาพบำบัด เทอร์รี เอลลิส (ซ้าย) และ Lou Awad กำลังพัฒนา exosuit ทางการแพทย์เพื่อช่วยให้ผู้คนเรียนรู้ที่จะเดินอีกครั้งหลังจากเกิดโรคหลอดเลือดสมอง. ภาพถ่ายโดยดาน่า สมิธ

เพื่อดัดแปลงชุดให้เหมาะกับวัตถุประสงค์ทางการแพทย์, Wyss เชิญ Ellis และ Awad เข้าร่วมทีมวิศวกร, นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์, และนักพัฒนาธุรกิจ. พวกเขาต้องการ "นักวิจัยที่ฝังตัวอยู่ในโลกทางคลินิกและทำงานร่วมกับผู้ป่วย,"เอลลิสกล่าว, ผู้อำนวยการของ BU ศูนย์ฟื้นฟูระบบประสาท. ความท้าทายที่สำคัญประการแรกคือความท้าทายในทางปฏิบัติ. ชุดทหารได้รับการออกแบบมาสำหรับ "บุคคลที่เหมาะสมซึ่งสามารถรับแรงจำนวนมากได้" ชุด exosuit ใช้กับร่างกาย, อวาดกล่าว.

สำหรับใส่สูทไปทำงาน, ผู้สวมใส่จะต้องสามารถรับแรงโดยทั่วไปของกล้ามเนื้อของเราได้, เส้นเอ็น, และกระดูกซึมเข้าไปทุกวัน, เช่นเดียวกับที่ exosuit เพิ่ม. นั่นเป็นปัญหาสำหรับนักกีฬาที่แข็งแกร่งน้อยกว่าสำหรับผู้อาวุโสที่เป็นโรคหลอดเลือดสมอง.

เมื่อพัฒนาทางการแพทย์รุ่น, ทีมเริ่มต้นด้วยการสำรวจสิ่งทอที่มีความแข็งน้อยกว่าที่ใช้สำหรับชุดทหาร. “รถต้นแบบคันแรกใช้สายรัดเข็มขัดนิรภัย,"Awad กล่าว, ผู้อำนวยการของ ห้องปฏิบัติการกู้คืนระบบประสาท BU; ในทางตรงกันข้าม, ชุดแพทย์ทำจาก “วัสดุผสมที่สร้างความปลอดภัย, ระบายอากาศได้, และส่วนต่อประสานที่เข้ารูปกับขาของผู้สวมใส่” พวกเขาทำการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ, ด้วย. แม้ว่าต้นฉบับจะสวมที่ขาทั้งสองข้างเมื่อเทียบกับขาข้างหนึ่งของชุดแพทย์, มันช่วยได้ด้วยการกดออกเท่านั้น - กองทัพไม่ต้องกังวลว่าทหารจะลากเท้า. “เป้าหมายของชุดทหารคือการเอาชนะธรรมชาติ, ทำลายอุปสรรคที่ธรรมชาติให้มา,"Awad กล่าว. “ด้วยชุดทางการแพทย์, เป้าหมายคือการพาผู้คนกลับไปยังที่ที่พวกเขาเคยอยู่”

ชุดสูททั้งสองรุ่นมีเซ็นเซอร์ที่บอกหน่วยควบคุมคอมพิวเตอร์ ซึ่ง Awad เรียกว่าสมอง ซึ่งเป็นตำแหน่งที่บุคคลกำลังก้าวย่าง, จึงสามารถส่งแรงได้พอเหมาะกับแต่ละคน. สมองมีการปรับตัว, อวาดกล่าว, “ดังนั้น ถ้าจู่ๆ คนๆ หนึ่งเริ่มเดินเร็วขึ้นหรือเปลี่ยนจังหวะ, มันรับรู้และตอบสนองตามนั้น” ในที่สุดมันควรจะอนุญาตให้ผู้สวมใส่นำทางภูมิประเทศที่ไม่เรียบได้, แม้ว่าการทดสอบจะจำกัดอยู่แต่ในห้องปฏิบัติการ.

Awad กล่าวว่าการคิดแบบทันทีทันใดของชุดสูทเป็นหนึ่งในคุณลักษณะที่ทำให้แตกต่างจากชุดอื่นๆ ในการพัฒนา และเป็นหนึ่งในผลงานที่สำคัญของทีมซาร์เจนท์. เช่นเดียวกับผ้าที่มีความแข็งน้อยกว่า, อัลกอริทึมที่เสียบเข้ากับชุดควบคุมของ exosuit ทางการแพทย์ยังช่วยให้แน่ใจว่าจะไม่สร้างแรงกดดันต่อร่างกายของผู้สวมใส่มากเกินไป.

“เป็นผลจากความเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่าผู้คนเคลื่อนไหวอย่างไรและการเคลื่อนไหวผิดเพี้ยนไปอย่างไรหลังจากเกิดโรคหลอดเลือดสมอง," เขาพูดว่า. “นั่นมาจากการพูดคุยกับทีมชีวกลศาสตร์, วิศวกร, สอนพวกเขาว่าคนที่เป็นโรคหลอดเลือดสมองเคลื่อนไหวอย่างไร; พวกเขาไม่มีประสบการณ์นั้น”

"พระเจ้าช่วย! พระเจ้าช่วย! พระเจ้าช่วย!”

exosuit ทางการแพทย์นั้นล้ำหน้ากว่าทางเลือกในปัจจุบันสำหรับการฟื้นฟูหลังจากเกิดโรคหลอดเลือดสมอง: ข้อเท้า orthosis เท้า, พลาสติกขึ้นรูปที่ใช้กันทั่วไปตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980. รองเท้าบู๊ตแข็งวิ่งลงไปที่น่องและใต้ส้นเท้า, จับขาและเท้าทำมุม 90 องศา. โดยทำให้ข้อเท้าล็อค, ออร์โธซิสช่วยป้องกันไม่ให้ผู้สวมใส่สะดุดนิ้วเท้าและสะดุดล้ม, “แต่เพราะคุณมีมุม 90 องศาที่แข็งกระด้าง, คุณไม่สามารถผลักออกไปได้, ดังนั้นคุณจึงต้องยกขาขึ้นและสูญเสียคุณสมบัติหลักบางประการของการเดินปกติ,"เอลลิสกล่าว. การบู๊ตช่วยให้ผู้คนได้รับอิสระในระดับหนึ่ง, แต่ไม่สามารถทำให้พวกเขากลับไปทำกิจกรรมที่พวกเขารักได้. และ, อาวาดกล่าวเสริม, มันอาจนำมาซึ่งความยุ่งยากในตัวเอง. “หากคุณเป็นโรคหลอดเลือดสมองตั้งแต่อายุยังน้อย," เขาพูดว่า, “กล้ามเนื้อที่อาจไม่ได้รับผลกระทบโดยตรงจากโรคหลอดเลือดสมองจะได้รับผลกระทบ”

ในการทดสอบ, ผู้เข้าร่วมบางคนที่สวมชุด exosuit ทางการแพทย์เกือบจะสามารถฟื้นความเร็วในการเดินก่อนจังหวะได้. ในการทดสอบ exosuit หนึ่งครั้ง, ผู้ใช้เริ่มแซงหน้านักกายภาพบำบัดที่ติดตามความคืบหน้าของเขา. ในอีก, Awad เฝ้าดูขณะที่ผู้เข้าร่วมเริ่มตะโกน, "พระเจ้าช่วย! พระเจ้าช่วย! พระเจ้าช่วย!“ในความสุข. "เธอบอกฉัน, 'ฉันกำลังคิดเกี่ยวกับรายการซื้อของของฉัน; ฉันไม่สามารถคิดอะไรได้เลยนอกจากการเดิน, ก้าวต่อไปที่อยู่ตรงหน้าฉัน, ไม่อย่างนั้นฉันจะล้มลง’”

หนึ่งในเป้าหมายในอนาคตสำหรับนักพัฒนา exosuit คือการปรับปรุงเซ็นเซอร์ของเครื่องช่วยเดินแบบไบโอนิคเพื่อช่วยให้ปรับตัวเข้ากับกิจกรรมต่างๆ ได้ดีขึ้น. ภาพถ่ายโดย Rolex/Fred Merz

ในชุดการนำเสนอและบทความวารสาร, นักวิจัยได้ประเมินผลกระทบของชุดสูท. พวกเขาพบว่าผู้เข้าร่วมผลักออกจากพื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง, และพวกเขาเดินเร็วขึ้นในระยะทางไกล. วิจัย, ซึ่งเริ่มต้นด้วยการระดมทุนทางทหารผ่านทาง โครงการเว็บนักรบ DARPA และได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation, สถาบัน Wyss, โรงเรียนฮาร์วาร์ดพอลสัน, ยิ่งไปกว่านั้น สมาคมโรคหัวใจอเมริกัน, ถูกตีพิมพ์ใน กรกฎาคม 26, 2017, ฉบับของ เวชศาสตร์แปลวิทยาศาสตร์. ผู้ตรวจสอบหลักคือ Conor Walsh, รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ที่ Harvard และอาจารย์แกนหลักที่ Wyss Institute.

เอลลิสไม่ได้ตั้งใจให้ชุดสูทแทนที่นักกายภาพบำบัดในการฟื้นฟูสมรรถภาพโรคหลอดเลือดสมอง. แทนที่, สามารถใช้เพื่อช่วยให้ผู้คนเรียนรู้การเดินอีกครั้งหลังจากเกิดโรคหลอดเลือดสมองและอนุญาตให้พวกเขาฝึกเดินที่บ้านหลังจากออกจากโรงพยาบาล.

"ในประเทศนี้, เมื่อคุณเป็นโรคหลอดเลือดสมอง, หลังจากนั้นประมาณสามเดือน, คุณทำกายภาพบำบัดทั้งหมดเสร็จแล้ว,“เชื้อราไมคอร์ไรซากำลังขับเคลื่อนโลก” เดินผ่านป่ากับ. “เป็นข้อเสียจริง ๆ เพราะมีงานวิจัยหลายชิ้นที่แสดงให้เห็นว่าการบำบัดในระยะเรื้อรังนั้นมีประสิทธิภาพมากและสามารถปรับปรุงการทำงานได้. นักบำบัดสามารถกำหนด exosuit ด้วยพารามิเตอร์ที่เป็นประโยชน์สำหรับแต่ละบุคคล”

ทำให้วิทยาศาสตร์สมบูรณ์แบบ

ทีมงานกำลังดำเนินการหาเงินทุนเพื่อตรวจสอบว่าควรใช้ exosuit นอกห้องทดลองอย่างไรให้ดีที่สุด และเพิ่งได้รับรางวัล a สถาบันสุขภาพแห่งชาติ ยินยอม, ได้รับรางวัลผ่าน สถาบันสุขภาพเด็กและการพัฒนามนุษย์แห่งชาติ, เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีต่อไป. มีแผนที่จะสำรวจแอปพลิเคชันอื่นๆ, อย่างการปรับแต่งชุดเพื่อช่วยเหลือผู้ป่วยโรคพาร์กินสัน, หลายเส้นโลหิตตีบ, และสมองพิการ. สำหรับตอนนี้, แม้ว่า, เป้าหมายหลักคือเตรียมชุดให้พร้อมสำหรับผู้ที่เป็นโรคหลอดเลือดสมอง. ปัจจุบัน exosuit ทางการแพทย์เพิ่มข้อเท้าเท่านั้น, แต่โครงการใหม่กับ Harvard จะมุ่งเน้นไปที่ระบบที่รวมการสนับสนุนเข่าและสะโพก.

ในโครงการแยกต่างหาก, ได้รับทุนจาก BU Clinical & ทุนนำร่องของสถาบันวิทยาศาสตร์การแปล, Awad กำลังศึกษาวิธีการปรับปรุงวิธีการที่อุปกรณ์สวมใส่ เช่น exosuits รับรู้และช่วยเหลือการเคลื่อนไหวที่บกพร่อง. เขากล่าวว่าเซ็นเซอร์ในปัจจุบันนั้นเก่งในการติดตามข้อมูล เช่น มุมของข้อต่อและความเร็วของข้อต่อ — ความเร็วของขาที่เคลื่อนไหว — แต่ไม่ประสบความสำเร็จในการระบุกิจกรรมที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวนั้น: คือผู้ใช้เดินหรือเดินสวนทางกับที่, พวกเขาเลี้ยวหรือเดินเป็นเส้นตรง? กับโรแบร์โต้ ตรอน, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ ม.อ, เขากำลังสำรวจระบบที่สามารถคำนวณทั้งสองอย่างได้.

ตาม รีวอล์ค โรโบติกส์, บริษัทที่ได้รับลิขสิทธิ์เทคโนโลยี, exosuit ทางการแพทย์รุ่นปัจจุบันสามารถรอการอนุมัติจาก FDA พร้อมที่จะจัดส่งโดยเร็วที่สุด 2018. มันจะไม่ช่วยให้ใครถลาเข้าไปในสตราโตสเฟียร์เหมือนไอรอนแมน, แต่มันสามารถให้โอกาสปู่ย่าตายายจำนวนมากได้เล่นฮีโร่อีกครั้ง.

แหล่งที่มา: http://“ฉันไม่รู้เกี่ยวกับเชื้อราเลย มันดูแย่”, โดย แอนดรูว์ เธอร์สตัน