肌肉刺激器讓parplegics走路

肌肉刺激器讓parplegics走路帕特里克馬赫雖然是截癱患者，但卻是一位經(jīng)驗(yàn)豐富且活躍的助行器。事實(shí)上，他可以不坐下來(lái)走一英里。今年四月，他是第一個(gè)使用他的聲音行走的人。馬赫將諸如“站立”和“右腳”等命令講到連接到神經(jīng)肌肉刺激器的麥克風(fēng)上。刺激器向附著在腿上的電極發(fā)電，產(chǎn)生行走動(dòng)作，而Maher抓住助行器以獲得平衡和支撐。雖然系統(tǒng)有時(shí)會(huì)把“正確”和“左”這兩個(gè)詞弄糊涂，但馬赫宣稱原型可以管理并取得成功。

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日常奇跡。盡管語(yǔ)音控制刺激器仍然是一種實(shí)驗(yàn)裝置，但其基礎(chǔ)技術(shù)已得到證實(shí)。它是來(lái)自伊利諾伊州Northfield的Sigmedics公司的Parastep(R)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。Parastep于去年春天獲得了美國(guó)食品和藥物管理局的批準(zhǔn)，它包含一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，可以電刺激臀部和膝蓋的肌肉群。由此產(chǎn)生的收縮讓用戶從坐姿上升，左右兩步，從站立到坐著。

由芝加哥伊利諾伊大學(xué)電子工程，計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物工程教授Daniel Graupe和芝加哥Humana-Michael Reese醫(yī)院的Kohn博士設(shè)計(jì)，Parastep系統(tǒng)不會(huì)取代輪椅。但是，對(duì)于身體健康的患者，它可以允許短時(shí)間的站立和行走。

Parastep系統(tǒng)代表功能性電刺激(FES) - 向身體施加電力以產(chǎn)生特定結(jié)果。一個(gè)常見(jiàn)的例子：心臟起搏器，它使用電來(lái)啟動(dòng)和控制心肌收縮。

通常，腿部運(yùn)動(dòng)起源于大腦的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。脊髓損傷會(huì)破壞大腦和肌肉之間的神經(jīng)通路。使用Parastep，即使萎縮，仍然可以通過(guò)在脊髓損傷水平以下施加的電刺激來(lái)激活和控制可行的肌肉。

這個(gè)怎么運(yùn)作。該系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生電脈沖序列來(lái)工作。這些脈沖通過(guò)放置在臀部肌肉，股四頭肌和膝蓋以下的可重復(fù)使用的皮膚電極傳遞到目標(biāo)周?chē)窠?jīng)。

刺激四肢引起收縮，使膝蓋伸展，使用戶能夠站立。刺激小腿的感覺(jué)神經(jīng)引發(fā)反射收縮以彎曲臀部，膝蓋和腳踝。這將腳從地板上抬起，好像這個(gè)人踩到了大頭釘。然后刺激器將脈沖施加到四邊形以使膝蓋伸展另一步。

用戶通過(guò)電子修改的助行器的把手上的開(kāi)關(guān)或通過(guò)刺激器單元上的鍵盤(pán)來(lái)控制刺激。開(kāi)關(guān)允許站立和坐著，采取正確的步驟，采取左步驟，并增加和減少電流。

電脈沖來(lái)自刺激器單元，其大小與連接到使用者腰部的Walkman一樣大。帶有8節(jié)可充電1.2V AA電池的電源組也位于腰包中。輸出電流范圍為0至300毫安。

具有片上存儲(chǔ)器的8位，4 MHz Hitachi微處理器控制脈沖的時(shí)序。編程取決于每個(gè)患者對(duì)刺激的反應(yīng)。盡管步行似乎是將一只腳放在另一只腳前面的簡(jiǎn)單問(wèn)題，但它實(shí)際上是一個(gè)涉及不同肌肉的復(fù)雜過(guò)程，必須精確協(xié)調(diào)。Graupe通過(guò)開(kāi)發(fā)控制肌肉刺激時(shí)間的處理器軟件來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

沒(méi)有微風(fēng)可以使用。使用Parastep系統(tǒng)是密集的，需要堅(jiān)定的承諾和紀(jì)律。要使用該系統(tǒng)，患者必須在站立時(shí)保持平衡，將自己從助行器降低到輪椅，并保持良好的心血管形狀。

此外，由于缺乏感官反饋，在完全癱瘓的腿上行走會(huì)變得復(fù)雜。“這就像走路一樣，”格勞普說(shuō)。如果脊髓完全切斷，患者沒(méi)有感覺(jué)或運(yùn)動(dòng)能力。他們使用助行器來(lái)支撐，但95%的體重應(yīng)由腿部肌肉承擔(dān) - 對(duì)于沒(méi)有下半身感覺(jué)的人來(lái)說(shuō)，這是一種信仰行為。

Graupe和Kohn都強(qiáng)調(diào)Parastep無(wú)法治愈。“這就像眼鏡一樣，”Graupe解釋說(shuō)，“你打開(kāi)它們，你看得更清楚，你把它們?nèi)∠聛?lái)就不要了。這里，如果斷開(kāi)電源，患者會(huì)像面條一樣塌陷。不應(yīng)該有任何面條。虛假的希望?；颊弑仨氈匦聦W(xué)習(xí)如何站立和行走。“

年輕人和輪椅。脊髓損傷(SCI)最常襲擊年輕男性。根據(jù)美國(guó)亞利桑那州伯明翰國(guó)家脊髓損傷統(tǒng)計(jì)中心的數(shù)據(jù)，82%的脊髓損傷患者是男性。傷害發(fā)生率最高的是16至30歲，最常見(jiàn)的受傷年齡是19歲。該中心表示，脊髓損傷的主要原因是機(jī)動(dòng)車(chē)事故(44%)，其次是暴力行為(24%)，跌倒(22%)和運(yùn)動(dòng)事故(8%)。

美國(guó)約有25萬(wàn)人患有脊髓損傷，每年約有10,000例新發(fā)病例。Sigmedics董事長(zhǎng)，總裁兼首席執(zhí)行官Paul F. Lavallee表示，30%至40%的人可以從Parastep系統(tǒng)中受益。超過(guò)300名患者嘗試了該系統(tǒng)。目前正在使用大約200個(gè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的費(fèi)用約為16,000美元，還包括32次物理治療培訓(xùn)課程。Sigmedics副總裁Frank E. Zeiss表示，保險(xiǎn)公司通常都會(huì)買(mǎi)單。

站立并交付。即使患者不能行走，對(duì)患者站立也是有益的。垂直導(dǎo)致諸如改善循環(huán)，更好的心血管功能，在非活動(dòng)關(guān)節(jié)處增加的運(yùn)動(dòng)范圍，由于壓瘡導(dǎo)致的皮膚破裂更少，骨骼更強(qiáng)壯，肌肉體積增加和士氣提高等益處。

Parastep用戶可以清空洗碗機(jī)，從噴泉中飲用，操作復(fù)印機(jī)，從書(shū)柜中取書(shū)，進(jìn)出狹窄的通道，并在站立時(shí)進(jìn)行演示。格勞普說(shuō)：“這意味著他們的眼睛會(huì)流淚，特別是如果他們已經(jīng)坐在輪椅上5到10年了。”

Graupe的FES研究始于1970年;使用他的系統(tǒng)的患者于1981年12月在Michael Reese醫(yī)院與Kohn建立的FES研究診所邁出了第一步。他的目標(biāo)是：創(chuàng)建一個(gè)患者可以獨(dú)立控制和使用的系統(tǒng)。

1988年12月，Graupe收集了一些風(fēng)險(xiǎn)投資集團(tuán)，以建立Sigmedics。他為該公司提供了專利，條件是它制造他的待售系統(tǒng)。FDA批準(zhǔn)了550萬(wàn)美元，大約四年。

Graupe認(rèn)為脊髓損傷是大腦與下肢周?chē)窠?jīng)之間通信通道的中斷。他將挑戰(zhàn)視為工程通信問(wèn)題。

“我們正在給計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的外周神經(jīng)信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)模仿脊髓下來(lái)的命令，”格勞普說(shuō)。“基本的想法類似于你在高中時(shí)用青蛙的腿做的實(shí)驗(yàn).Galvani在200年前在意大利做過(guò)。唯一的區(qū)別是我們使用微控制器來(lái)更好地產(chǎn)生信號(hào)。”

未來(lái)的迭代。Kate H. Kohn博士對(duì)聲控Parastep模型感到興奮，因?yàn)樗梢宰屖帜_和手指運(yùn)動(dòng)受限的癱瘓人站立和行走。這些患者通常患有脊髓損傷。但是，這個(gè)版本可能在四年內(nèi)不可用。

Sigmedics的下一個(gè)系統(tǒng)可能包括某種類型的反饋系統(tǒng)。它會(huì)檢測(cè)肌肉活動(dòng)并相應(yīng)地調(diào)整電刺激。這樣的系統(tǒng)可以讓用戶更專注于步行。

蔡司說(shuō)，Sigmedics參與了試點(diǎn)研究，以確定Parastep是否可以幫助患有多發(fā)性硬化癥的人。其他可能的患者包括腦癱患者和中風(fēng)患者。

“功能性電刺激仍處于起步階段，但是我們目前最有前途的技術(shù)可能導(dǎo)致有用的步行，”馬薩諸塞州劍橋國(guó)家脊髓損傷協(xié)會(huì)執(zhí)行主任Janna Jacobs說(shuō)。“Parastep治療的癥狀不是癱瘓的原因。”

雅各布斯相信有一天會(huì)有治愈癱瘓的方法。她預(yù)測(cè)，它將涉及手術(shù)，藥物治療和物理治療的組合，而不是電子技術(shù)。但是，在醫(yī)學(xué)科學(xué)揭開(kāi)脊髓再生的神秘面紗之前，Parastep等系統(tǒng)將繼續(xù)幫助癱瘓的人恢復(fù)失地。