软机器人、可穿戴设备改善帕金森病患者的行走

冷冻是帕金森病最常见和最令人虚弱的症状之一，帕金森病是一种神经退行性疾病，影响着全球900多万人。当患有帕金森病的人冻僵时，他们会突然失去移动脚步的能力，通常是在步幅中间，导致一系列断断续续的口吃步伐，这些步伐越来越短，直到这个人完全停下来。这些发作是帕金森病患者跌倒的最大原因之一。

如今，冷冻可以通过一系列药物、手术或行为疗法来治疗，但没有一种疗法特别有效。

如果有一种方法可以完全停止冰冻呢?

来自哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和波士顿大学萨金特健康与康复科学学院的研究人员使用一种柔软的可穿戴机器人帮助帕金森患者行走而不会冻僵。机器人服装穿在臀部和大腿周围，在腿部摆动时轻轻推动臀部，帮助患者实现更长的步幅。

该设备完全消除了参与者在室内行走时的冻结，使他们比没有服装的帮助下走得更快更远。

“我们发现，在我们的研究中，来自我们的柔软机器人服装的少量机械辅助就能产生即时效果，并持续改善个体在各种条件下的行走能力，”该研究的合作者、SEAS大学工程和应用科学保罗·a·梅尔教授康纳·沃什说。

这项研究证明了软机器人技术在治疗这种令人沮丧且具有潜在危险的帕金森病症状方面的潜力，并可能使帕金森病患者不仅恢复行动能力，还能恢复独立性。

这项研究发表在《自然医学》.

十多年来，Walsh在SEAS的生物设计实验室一直在开发辅助和康复机器人技术，以改善中风后以及患有渐冻症或其他影响行动能力的疾病的人的行动能力。其中一些技术，特别是中风后步态再训练的宇航服，得到了怀斯生物灵感工程研究所的支持，并由ReWalk Robotics授权和商业化。

2022年，SEAS和萨金特学院获得了麻省理工学院的资助，以支持下一代机器人和可穿戴技术的开发和转化。该研究以Move实验室为中心，其任务是通过合作空间、资金、R&D基础设施和必要的经验来支持人类绩效提高方面的进步，从而将有前途的研究转化为可以通过与行业合作伙伴合作进行转化的成熟技术。

这项研究产生于这种合作关系。

“利用柔软的可穿戴机器人防止帕金森患者步态冻结需要工程师、康复科学家、物理治疗师、生物力学家和服装设计师之间的合作，”沃尔什说，他的团队与波士顿大学神经康复中心主任、教授兼物理治疗系主任特里·埃利斯的团队密切合作。

该团队花了六个月的时间与一名73岁的帕金森氏病患者合作，尽管他采用了手术和药物治疗，但他每天忍受超过10次严重的瘫痪性冰冻发作，导致他经常摔倒。这些小插曲使他无法在自己的社区走动，并迫使他依靠一辆滑板车在外面走动。

在以前的研究中，沃尔什和他的团队利用人在回路优化证明了一种柔软的可穿戴设备可以用来增加髋关节屈曲并帮助向前摆动腿，从而提供一种有效的方法来减少健康人走路时的能量消耗。

在这里，研究人员使用了相同的方法来解决冷冻问题。这种可穿戴设备使用电缆驱动的致动器和传感器，佩戴在腰部和大腿周围。使用传感器收集的运动数据，算法可以估计步态的相位，并在肌肉运动的同时产生辅助力。

效果立竿见影。在没有任何特殊训练的情况下，患者能够在室内行走而不会冻僵，只有在室外偶尔发作。他还能够在不冻僵的情况下行走和说话，这在没有设备的情况下是罕见的。

“看到这项技术对参与者行走的影响，我们的团队真的很兴奋，”SEAS大学前博士生、该研究的共同第一作者Jinsoo Kim说。

在研究访问期间，这位参与者告诉研究人员:“这套衣服帮助我走得更远，当它不活跃时，我注意到我拖着脚走得更远了。这对我帮助很大，我觉得这是向前迈出的积极一步。它可以帮助我走得更久，并保持我的生活质量。”

“我们的志愿者是真正的伙伴，”沃尔什说。“由于行动不便，对这个人来说，即使来到实验室也是一个真正的挑战，但我们从他的观点和反馈中受益匪浅。”

该设备还可以用于更好地了解步态冻结的机制，而这种机制目前还知之甚少。

“因为我们并不真正了解冷冻，我们并不真正知道为什么这种方法如此有效，”埃利斯说。“但这项工作表明了治疗步态冻结的‘自下而上’而不是‘自上而下’的解决方案的潜在好处。我们看到，恢复几乎正常的生物力学会改变步态的外周动力学，并可能影响步态控制的中央过程。”

这项研究是由金津洙、弗兰奇诺·波丘拉、杨熙斗、尼古拉斯·温德尔、特蕾莎·贝克和安德鲁·陈共同完成的。阿萨·埃克特-厄德海姆和多萝西·奥泽尔也为这项技术的设计做出了贡献，黄英琦和萨拉·沙利文管理了这项临床研究。该项目由美国国家科学基金会资助，CMMI-1925085;美国国立卫生研究院，授权号为NIH U01 TR002775以及马萨诸塞州技术协作、合作研究和开发匹配资助。

来源: Materials provided by Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Original written by Leah Burrows.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Jinsoo Kim, Franchino Porciuncula, Hee Doo Yang, Nicholas Wendel, Teresa Baker, Andrew Chin, Terry D. Ellis, Conor J. Walsh. Soft robotic apparel to avert freezing of gait in Parkinson’s disease. Nature Medicine, 2024; DOI: 10.1038/s41591-023-02731-8