美国利用可穿戴机器人帮助渐冻症患者恢复日常功能

自 2018 年以来，凯特·尼茨 （Kate Nycz） 一直患有肌萎缩侧索硬化症 （ALS），她可以亲身告诉您慢慢失去基本任务的运动功能是什么感觉。“我的手臂可能会达到 90 度，但随后它就会疲劳并摔倒，”这位 39 岁的球员说。“用我的惯用手吃饭或做重复动作是很困难的。我主要变成了左撇子。

像 Nycz 这样患有 ALS 等神经退行性疾病或中风的人经常患有肩部、手臂或手部运动障碍，从而无法进行刷牙、梳头或进食等日常活动。

在过去的几年里，哈佛生物工程师一直在开发一种柔软的可穿戴机器人，它不仅可以为这些人提供运动辅助，甚至可以增强疗法以帮助他们恢复活动能力。

但没有两个人的移动方式完全相同。身体运动是高度个性化的，特别是对于行动不便的人来说，因此很难设计出适合许多不同人群的设备。

事实证明，机器学习的进步可以创造更加个性化的风格。约翰·保尔森工程与应用科学学院 （SEAS） 的研究人员与马萨诸塞州总医院和哈佛医学院的医师科学家一起升级了他们的可穿戴机器人，使其能够响应单个用户的精确动作，为设备提供更个性化的帮助，为用户提供更好、更可控的日常任务支持。

发表在《自然通讯》上的这项研究由 Paul A. Maeder 工程与应用科学教授 Conor Walsh 领导，他的实验室为运动障碍者开发以人为本的辅助机器人设备。六年多来，沃尔什的实验室一直与中风和神经康复专家、马萨诸塞州总医院神经康复诊所主任 David Lin 博士合作;和 ALS 专家、马萨诸塞州总医院神经临床研究所联合主任 Sabrina Paganoni 博士——两位论文合著者——为患者开发临床相关设备。

“这是一次美妙的合作，因为 Walsh 博士的团队从第一天起就优先考虑临床医生和患者的观点，”Paganoni 说。“这种协作方法使我们能够在最初的原型和研究设计上合作。”

Nycz 于 2018 年被 Paganoni 转介给 SEAS 研究团队，当时她被诊断出患有 ALS，距离她 33 岁生日还有一周。Nycz 为该设备的多次迭代提供了数据和用户测试，包括包括个性化电机反馈组件的最新迭代。“我非常热衷于帮助改善 ALS 患者生活质量的技术和设备......我觉得这个机器人可以帮助实现这个目标，“她说。

Prabhat Pathak（左）和 James Arnold 在实验室演示可穿戴机器人。|图片来源：哈佛

使用机器学习模型进行软件更新

该论文描述了为该设备提供动力的软件的重大更新，该软件由一件装有传感器的背心组成，手臂下方附有一个气球，可以充气和放气，以对虚弱或受损的肢体施加机械辅助。

研究人员使用了一种机器学习模型，通过跟踪运动和压力的传感器学习用户试图做哪些动作，从而为单个用户提供个性化的辅助级别。

在该设备的早期版本中，研究人员发现，一旦机器人帮助抬起手臂，用户就很难将手臂向下推。“有些人没有足够的剩余力量来克服机器人所犯的任何错误，”共同第一作者、研究生詹姆斯·阿诺德解释道。

在新版本中，除了机器学习模型外，他们还整合了之前开发的基于物理的模型，该模型估计了运动过程中支撑手臂所需的最小压力。这使得机器人的帮助对用户来说感觉更自然，为饮食等基本任务提供更细致的帮助。组合这些模型使机器人能够根据对用户通常移动方式的了解，随时快速调高或调低它提供的帮助量。

用户测试

工程师们与 MGH 的临床研究人员合作，对包括 Nycz 在内的 9 名志愿者进行了测试，其中包括 5 名经历过中风，4 名患有 ALS。

“对于 ALS 患者来说，最重要的考虑因素包括舒适性、易用性以及设备适应他们特定需求和运动模式的能力，”帕加诺尼说。“个性化对于提高他们的功能独立性和生活质量至关重要......该设备有可能显着改善上肢功能、增强日常生活活动并减少代偿性运动。

结果表明，根据单个用户的运动数据进行训练的机器人可以以 94% 的准确率区分用户的肩部运动。与以前的版本相比，一个人放下手臂所需的力减少了大约三分之一。用户的肩膀、肘部和手腕的运动范围也更大，减少了身体倾斜或扭转的补偿需求，使他们的整体动作更加精确和高效。

共同第一作者兼博士后研究员 Prabhat Pathak 解释说，过去对可穿戴机器人的研究主要集中在单个关节或单个临床评分上，用于评估患者运动。“我们在这里所做的是使用高度精确的动作捕捉系统来模拟日常生活活动——类似于电影中使用的系统。我们研究了每一个关节动作是如何变化的，以及他们是否能够更有效地完成任务。

Nycz 说，多年来看到该设备的不同版本令人欣慰，她注意到她的一些反馈已经反映在较新的版本中。

“他们在融入和包容这个人方面做得很好，”她说。“他们不是坐在实验室里玩机器人。我觉得他们真的和我互动了。我不觉得自己像一只实验室老鼠或车轮上的齿轮。

该机器人可以帮助有运动障碍的人进行日常活动，例如饮食。|图片来源：哈佛

可推广到大众人群

研究人员指出，他们的设备可以推广到许多上肢障碍人群。虽然中风患者通常专注于通过逐渐恢复力量和运动来康复，但 ALS 是退行性的，这意味着该设备可能仅用于运动辅助更有价值。通过美国国家科学基金会技术、创新和合作伙伴关系局下属的融合加速器的持续支持，该团队正在继续完善该技术，以便有朝一日能够让用户在家中独立使用它。