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)驗豐富且活躍的助行器。事實上，他可以不坐下來走一英里。今年四月，他是第一個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上。刺激器向附著在腿上的電極發(fā)電，產(chǎn)生行走動作，而Maher抓住助行器以獲得平衡和支撐。雖然系統(tǒng)有時會把“正確”和“左”這兩個詞弄糊涂，但馬赫宣稱原型可以管理并取得成功。

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日常奇跡。盡管語音控制刺激器仍然是一種實驗裝置，但其基礎技術已得到證實。它是來自伊利諾伊州Northfield的Sigmedics公司的Parastep(R)系統(tǒng)的基礎。Parastep于去年春天獲得了美國食品和藥物管理局的批準，它包含一個開環(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電子工程，計算機科學和生物工程教授Daniel Graupe和芝加哥Humana-Michael Reese醫(yī)院的Kohn博士設計，Parastep系統(tǒng)不會取代輪椅。但是，對于身體健康的患者，它可以允許短時間的站立和行走。

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

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

這個怎么運作。該系統(tǒng)通過產(chǎn)生電脈沖序列來工作。這些脈沖通過放置在臀部肌肉，股四頭肌和膝蓋以下的可重復使用的皮膚電極傳遞到目標周圍神經(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。

用戶通過電子修改的助行器的把手上的開關或通過刺激器單元上的鍵盤來控制刺激。開關允許站立和坐著，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。

具有片上存儲器的8位，4 MHz Hitachi微處理器控制脈沖的時序。編程取決于每個患者對刺激的反應。盡管步行似乎是將一只腳放在另一只腳前面的簡單問題，但它實際上是一個涉及不同肌肉的復雜過程，必須精確協(xié)調。Graupe通過開發(fā)控制肌肉刺激時間的處理器軟件來解決這個問題。

沒有微風可以使用。使用Parastep系統(tǒng)是密集的，需要堅定的承諾和紀律。要使用該系統(tǒng)，患者必須在站立時保持平衡，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變得復雜。“這就像走路一樣，”格勞普說。如果脊髓完全切斷，患者沒有感覺或運動能力。他們使用助行器來支撐，但95%的體重應由腿部肌肉承擔 - 對于沒有下半身感覺的人來說，這是一種信仰行為。

Graupe和Kohn都強調Parastep無法治愈。“這就像眼鏡一樣，”Graupe解釋說，“你打開它們，你看得更清楚，你把它們?nèi)∠聛砭筒灰?。這里，如果斷開電源，患者會像面條一樣塌陷。不應該有任何面條。虛假的希望?；颊弑仨氈匦聦W習如何站立和行走。“

年輕人和輪椅。脊髓損傷(SCI)最常襲擊年輕男性。根據(jù)美國亞利桑那州伯明翰國家脊髓損傷統(tǒng)計中心的數(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，最常見的受傷年齡是19歲。該中心表示，脊髓損傷的主要原因是機動車事故(44%)，其次是暴力行為(24%)，跌倒(22%)和運動事故(8%)。

美國約有25萬人患有脊髓損傷，每年約有10,000例新發(fā)病例。Sigmedics董事長，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300名患者嘗試了該系統(tǒng)。目前正在使用大約200個系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的費用約為16,000美元，還包括32次物理治療培訓課程。Sigmedics副總裁Frank E. Zeiss表示，保險公司通常都會買單。

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

Parastep用戶可以清空洗碗機，從噴泉中飲用，操作復印機，從書柜中取書，進出狹窄的通道，并在站立時進行演示。格勞普說：“這意味著他們的眼睛會流淚，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。他的目標是：創(chuàng)建一個患者可以獨立控制和使用的系統(tǒng)。

1988年12月，Graupe收集了一些風險投資集團，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批準了550萬美元，大約四年。

Graupe認為脊髓損傷是大腦與下肢周圍神經(jīng)之間通信通道的中斷。他將挑戰(zhàn)視為工程通信問題。

“我們正在給計算機產(chǎn)生的外周神經(jīng)信號，這些信號會模仿脊髓下來的命令，”格勞普說。“基本的想法類似于你在高中時用青蛙的腿做的實驗.Galvani在200年前在意大利做過。唯一的區(qū)別是我們使用微控制器來更好地產(chǎn)生信號。”

未來的迭代。Kate H. Kohn博士對聲控Parastep模型感到興奮，因為它可以讓手腳和手指運動受限的癱瘓人站立和行走。這些患者通?；加屑顾钃p傷。但是，這個版本可能在四年內(nèi)不可用。

Sigmedics的下一個系統(tǒng)可能包括某種類型的反饋系統(tǒng)。它會檢測肌肉活動并相應地調整電刺激。這樣的系統(tǒng)可以讓用戶更專注于步行。

蔡司說，Sigmedics參與了試點研究，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可能導致有用的步行，”馬薩諸塞州劍橋國家脊髓損傷協(xié)會執(zhí)行主任Janna Jacobs說。“Parastep治療的癥狀不是癱瘓的原因。”

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