撰文：庫珀

編審：寇建超

因為某些事故或者災禍，不得已被截肢的人不在少數。

膝上截肢嚴重影響了數百萬人的活動能力和生活質量，雖然市面上有一些腿部假肢能夠輔助行走， 但行走效率極低，步行經濟性差、使人勞累，這是限制患者移動性的一個主要問題。

為了改善被截肢殘疾人的行走難題，美國猶他大學仿生工程實驗室的研究人員開發出了一套輕型動力外骨骼，該設備使用電機、微處理器和先進的算法來幫助下肢截肢者行走，就像電動自行車幫助騎手踩著踏板上坡一樣。該研究小組的相關論文發表在《自然醫學》雜志上。實驗數據表明，借助動力髖外骨骼輔助裝備是提高截肢者步行經濟性的可行方案，能顯著降低行走的代謝成本，對活動性產生相當積極的影響，未來可大幅提升膝上截肢患者的生活質量。

圖｜裝備測試（來源：Utah’s Bionic Engineering Lab）

穿上它，相當于卸下一個26磅重的背包

被截肢的人帶上普通假肢行走艱難，很大程度上是因為腿部的關鍵肌肉組織在手術過程中被切除了，市面上一些標準的假肢產品并不能完全復制人腿的生物力學功能，因此，膝上截肢者在行走時會感覺吃力，因為他們要過度使用殘肢和其余的肢體肌肉來補償來自假肢的能量不足。

另外，生物力學模擬和非計算機個體實驗表明，腿部踝關節在行走過程中提供了相當大的凈正能量。如果踝關節受損或缺失，患者必須增加殘肢和完整肢體的力量，以補償缺失的踝關節能量，從而形成不自然、不對稱和甚至是無效的步態模式。

盡管最近的很多研究在減少動力假肢重量方面取得了一些進展，但迄今為止，沒有動力裝置能夠持續改善膝上截肢患者的代謝成本。

猶他大學機械工程研究所助理教授Tommaso Lenzi表示：“即使你有移動臀部的能力，你的行走能力也會受到嚴重損害，缺乏力量和活動范圍。”

圖｜動力髖關節外骨骼和實驗裝置（來源： Nature Medicine ）

與漫威超級英雄鋼鐵俠等額外力量的動力服或其他幫助工人搬運重物的外骨骼裝備不同， Lenzi團隊的外骨骼僅為使用者提供行走所需的額外力量。

該設備具有一個輕巧、高效的機電致動器，連接到使用者的大腿上，腰部的安全帶包含定制的電子系統、微控制器和運行先進控制算法的傳感器，外骨骼的人工智能程序了解人如何移動，并幫助人移動，且執行器可在主線束的右側和左側之間互換，以適應任何一條腿。

研究小組進行了一項研究，其中6名膝蓋以上截肢的患者在記錄其代謝率的同時測試了外骨骼行走數據，同時測量他們的氧氣攝入量和二氧化碳水平，所有測試外骨骼的人都提高了他們的代謝率，能量消耗平均降低了15.6%，這相當于卸下一個26磅（約11.79㎏）重的背包。

Lenzi介紹， 這是一個很大的進步，實驗中截肢患者的行走代謝消耗量幾乎與一個健全人的消耗量沒有區別。

另一個關鍵因素是，該設備具有獨特的輕量級，框架由碳纖維材料制成，而其他部件由塑料復合材料和鋁制成， 總體下來，這套外骨骼只有5.4磅重（約2.45㎏）。

圖｜帶和不帶外骨骼行走的代謝成本比較（來源： Nature Medicine ）

一名受試殘疾人Stan Schaar表示：“ 我第一次使用它時，感覺我的肌肉完全與這個外骨骼融合在一起，穿上它能夠移動得更快。它幫助我的腿部放松，向前移動并行走，戴上它我可以行走數英里，因為它協助于我的肌肉運動。”

七年前，Schaar在一次車輛事故中壓碎了腿，在隨后的截肢手術中，醫生不得不切除他的大部分腿部肌肉。“我是一個殘肢肌肉不多的人，沒有任何東西可以取代骨肉腿，但這套裝備非常接近。我希望能盡快將這個設備推向市場。”Schaar補充說。

Lenzi表示， 這種外骨骼可能在幾年內就能問世。美國國防部提供了98.5萬美元贈款資助了這項新的外骨骼技術的開發，以造福退伍軍人，今年早些時候，他的實驗室還從國家科學基金會獲得了58.4萬美元的贈款。

驗證了一個假設

通常，電動假肢的目的是通過增加踝關節的能量來降低步行的代謝成本，這是生理學上的。

相比之下，這項研究所提出的外骨骼方法旨在通過在髖關節增加非生理性能量來降低行走的代謝成本。自主動力髖關節外骨骼已成功降低了年輕個體行走甚至跑步的代謝成本。然而，髖外骨骼是否能降低膝上截肢患者的代謝成本尚不清楚。

在試點實驗的支持下， 本研究驗證了一個假設，即動力髖外骨骼可以通過在殘余髖關節處注入能量來降低膝上截肢患者行走的代謝成本。

研究人員對膝上截肢患者（6人）進行了實驗，他們在有或沒有自主、單側動力髖外骨骼的情況下行走。參與者在跑步機上以1米/秒的速度行走，或在12米步行道上移動，動力髖外骨骼可在屈曲和伸展時提供輔助扭矩。

根據每個參與者的主觀偏好及實驗者的經驗，手動調整其屈曲和伸展的峰值及其各自的時間。在跑步機試驗期間，使用間接量熱法測量代謝能量消耗，為了避免任何潛在的混淆效應，參與者不允許使用跑步機的扶手。

圖｜外骨骼裝備在跑步機上以1米/秒運動時的參數值（來源： Nature Medicine ）

在跑步機試驗中，每個參與者的步行代謝成本計算為總代謝能量消耗減去放松站立期間測量的代謝消耗，在6名參與者中，動力髖關節外骨骼使步行的代謝成本平均降低15.6±2.9%。

此外，研究人員還計算了所有參與者的平均髖、膝和踝關節角度。有外骨骼時殘余髖關節的活動范圍也明顯大于無外骨骼時的活動范圍，具體而言，在有和沒有外骨骼的情況下，殘余髖關節的運動范圍分別為49.42°和46.54°。

值得注意的是，外骨骼輔助下的殘余髖關節運動學在參與者之間存在顯著差異，髖關節活動范圍在37.97°和59.08°之間，屈曲扭矩在56.7%和64.2%的步幅之間達到峰值，伸展扭矩在9.4%和14.3%的步幅之間達到峰值。平均而言，69.0%的外骨骼輔助能量發生在屈曲期間。

在地面測試中，所有參與者以自己選擇的速度在有外骨骼和沒有外骨骼的情況下在地面上行走，外骨骼輔助的調整與跑步機試驗相同。由于自主選擇的行走速度更快，外骨骼在地面上的輔助力量高于在跑步機上，在行走速度、重心運動學或時間步態對稱性方面未觀察到顯著差異。

裝備還有很大優化空間

迄今為止，膝上截肢患者最有效的輔助設備是微處理器控制的假體，這項技術于20世紀90年代引入市場，與20世紀50年代推出的上一代假肢相比，微處理器控制的假肢步行經濟性提高了5–6.5%左右。與單獨使用假肢行走相比，論文里的自主動力髖關節外骨骼進一步將步行經濟性提高了15.6%。

圖｜其他團隊開發的機械假肢（來源：STAT）

研究人員在論文中提到，與本研究中觀察到的情況相比，通過補充對側髖關節（即健側髖關節）的代償作用， 雙邊協助可能導致更高的代謝節省。另一方面，與建議的單側髖部外骨骼相比，雙側外骨骼將更重，對用戶具有侵擾性，因此，目前尚不清楚雙邊援助是否比單邊援助更有效。

在本項目研究中，實驗者根據參與者的經驗和主觀反饋，為每個參與者手動調整髖關節援助，手動調節大約需要15分鐘，在這期間，參與者以2到3分鐘的周期步行不到10分鐘。盡管手動調整旨在最大化外骨骼在屈曲和伸展方面的輔助作用，但參與者始終傾向于更高的屈曲力而非伸展力。

研究人員提出了 控制算法，該算法可在人行走時自動優化外骨骼輔助，以最小化代謝成本。這種自動調整方法可能會帶來最佳的幫助，然而，與本研究中使用的手動非最佳調節相比，自動最佳調節需要更多的步行測試時間（例如64分鐘），較長的調節時間可能對截肢人群構成挑戰。此外，自動調諧沒有明確地考慮主觀偏好，這些缺點可能解釋了為什么自動調節尚不能成功降低截肢患者行走的代謝成本，方案仍有待改進。

更進一步而言，將來通過手術干預，如骨整合或大腿成形術等來解決更多問題。如果能夠在保持用戶舒適的同時增加輔助扭矩，研究人員就可以增加電動外骨骼注入的能量，進一步降低行走的代謝成本，這為截肢患者建立新的護理標準提供了全新方案。

不過，該研究最重要的局限性在于，樣本人群相對較小且同質（6人，均為僅外傷性截肢），這導致研究人員仍然缺乏對所觀察到的代謝改善的機械解釋，包括對屈曲和伸展輔助的相對貢獻的評估。在跑步機上觀察到的步行經濟性改善擴展到地上步行，但沒有測試這些結果是否能延伸到現實生活中常見的傾斜和不平地形，同時也缺乏對主觀偏好的定量評估，這對于現實生活中的可接受性至關重要。

在未來的研究中，通過反向動力學和肌電圖評估關節水平的扭矩和作用力，可能會為觀察到的代謝改善提供更加深入的機械解釋，此外，探討雙邊和單邊外骨骼裝備援助之間的權衡也很有意思，可能要設計全新的動力和被動假肢結合方案。

這些知識將支持所提議的輔助裝置的工程優化，對擬議干預的臨床成功至關重要。

Lenzi表示：“國家科學基金會的撥款將使我們能夠繼續這項工作，并制造出更好的設備來幫助更多的殘疾人恢復行走能力”。

論文鏈接：

https://attheu.utah.edu/facultystaff/power-walk/

https://www.nature.com/articles/s41591-021-01515-2

本文來自微信公眾號 “學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學術頭條，36氪經授權發布。