亚伦·沃尔夫(Aaron Wolfe)来到一个巨大体育馆的一角,准备在跑步机上坐下. 这是他再熟悉不过的套路了. 2005年,沃尔夫因脊髓损伤开始康复, 体重支持的跑步机疗法是这项艰苦疗法的一部分. 他很久以前就完成了那部分课程. 现在,沃尔夫再次踏上跑步机,但这一次的治疗包括一个转折. 准确地说,是倾斜. 如果这项新技术成功了,它可能会帮助改善成千上万像他一样的人的生活.

沃尔夫是美国45万脊髓损伤患者之一. 亚伦的病被称为不完全性脊髓损伤, 这意味着至少有一部分作为大脑和身体其他部分之间的感觉通道的脊髓仍然完好无损. 不完全脊髓损伤的人可以重新学会走路,因为神经系统有很大的可塑性. 这是, 剩余的神经连接可以被重新训练以适应行走(临床称为运动)。, 即使这不是它们最初的用途. 体重支撑的跑步机训练是这些损伤康复的一个相当标准的组成部分, 其中髋部通过挽具支撑到不同程度, 负重的通过减轻腿上的负荷来促进行走的行为.

然而, 有病人-亚伦·沃尔夫, 对于一开始对跑步机训练有反应的人来说, 只是达到了一个点,没有进一步的进展. 为什么会到达这个高原的原因一直难以解释, 到目前为止, 刺激经济进一步复苏的康复策略也是如此. 但一组研究人员正在寻找解决这个最具人性困境的答案,他们使用了一个不太可能的合作者:机器人.

詹姆斯Schmiedeler, 365wm完美体育官网登录航空航天与机械工程副教授, 用双足机器人建造并进行研究. 他很快指出,他的简历中明显没有物理治疗经验, 但是作为一个工程师, 他看到了相似之处. “作为一名工程师,把人体想象成一个机械系统并不难, 如果算上神经, 机电系统,Schmiedeler说. “两者都有‘执行器’——我们在机器人上使用电动马达, 人类的肌肉比我们能接触到的任何东西都要高效得多. 两者都有关节,一种刚性结构.”

事实证明,人类和机器人都面临着类似的行走挑战. 散步涉及到一种叫做“负功”的东西, 当肌肉在阻力作用下收缩时, 使肌肉拉长. 机器人和不完整的脊髓患者在消极的工作中挣扎. 这是一个力的问题. 通常情况下,脊髓患者要么走路用力过小,要么膝关节极度弯曲, 或者他们踩得太用力,基本上把脚撞到地上,失去了能量.

Schmiedeler教授实验室里用于脊髓研究的两足机器人

“后一种策略正是我们的机器人过去所做的, 这给我们带来了无穷无尽的麻烦,Schmiedeler说, 呵呵. “但通过尝试改善机器人的控制来进行更顺畅。, 更像人类的运动, 我们的目标是更好地了解缺陷在哪里,帮助患者重新学习健康的行走.”

Schmiedeler正在与俄亥俄州立大学神经恢复网络的研究人员合作, 包括D. 米歇尔低音部, 健康与康复科学学院教授兼研究主任. 巴索和施米德尔在参加一次会议后开始交换意见,讨论他们的工作如何相互补充. 没过多久,我们就发现了共同的挑战和潜在的战略.

开始, Schmiedeler与俄勒冈州立大学合作进行了一项评估年轻人的研究, 健康受试者在跑步机上行走. 这些发现直接启发了Schmiedeler在实验室中改进双足机器人的设计和控制的努力. 在一起, Schmiedeler和俄勒冈州立大学现在正利用这些相同的原理来理解人类在不完全性脊髓损伤后重新学习行走时所经历的困难.

“从不同的角度思考问题真的很有趣,”巴索说. “我一直在考虑肌肉的完整性,关节的完整性. Jim将带来一个系统控制的视角, 他可以和机器人一起做一些事情告诉我们步进循环的含义或者步进的任何元素.”

Schmeideler的双足机器人提供了一个平台,在这个平台上可以很容易地测试不同的行走控制策略, 从这些实验中获得的见解为巴索的团队开发改进的治疗技术提供了信息.

“他可以控制变化的幅度,”巴索说. “他很快就能做到. 有时,他能让机器人摔倒. 显然,我们绝不会在人类实验对象身上这么做. 它促成了非常强大的合作,并融合了真正独一无二的专业知识.”

解决恢复平台问题是他们当前关注的重点. Schmiedeler和俄勒冈州立大学的研究人员认为,答案可能集中在训练身体在行走冲击阶段使用的控制机制上. 这一结果是脊髓恢复患者标准体重支撑跑步机方案的目标之一. 但对于那些没有从这种治疗中获得额外好处的人, 可能需要一种不同的方法来独特地参与控制机制:将跑步机向下倾斜.

目前的脊髓恢复方案是针对特定任务的, 旨在发展身体,以支持典型的动作. 正如Schmiedeler指出的,这通常不包括走下坡. “众所周知,患有脊髓损伤或其他运动问题的人不喜欢下坡行走. 他们会避开它,”他说. “但我们认为,单靠平面方法还不足以迫使个人正确使用他们的控制系统来应对冲击, 让你更难把结果从跑步机上转移过来.”

“……我们认为,单纯的平面方法不足以迫使个人正确使用他们的控制系统来应对冲击, 让你更难把结果从跑步机上转移过来.”

詹姆斯Schmiedeler

巴索先前的动物模型研究显示了下坡疗法的益处. 现在, 从Schmiedeler的机器人实验中获得协同效应的见解, 这项研究转向了对人类的益处.

下坡行走的过程更强调腿部肌肉的负功, 结果就是, 是否可以帮助脊髓患者在停止改善的地方得到改善. 它以一种独特的方式参与神经系统,实际上会“启动”下一步.

在哥伦布进行的这项研究包括了之前参加过体重支持跑步机疗法的参与者, 但在过去的六个月里,他们没有接受积极的治疗,因为他们在恢复过程中已经停滞不前. Schmiedeler和俄勒冈州立大学的研究小组特别选择了这一组进行研究,因为他们最不可能从额外的治疗中受益, 因此是这项研究中最困难的测试.

虽然为时尚早,但对沃尔夫这样的人来说,初步结果似乎是积极的. 2005年,他遭受了脊髓损伤, 为了恢复活动能力,他在平板跑步机上工作了多年. 最终,进展放缓,然后停止. 直到他尝试了倾斜跑步机.

工程学教授Jim Schmiedeler看着Aaron Wolfe在哥伦布的俄亥俄州立大学医学中心参加一个康复研究, 俄亥俄州.
Aaron Wolfe在下降跑步机上作为脊髓损伤康复研究的一部分.
Aaron Wolfe在下降跑步机上作为脊髓损伤康复研究的一部分.

沃尔夫说:“当我开始走下坡路时,它似乎更快地控制了我的臀部。. “当我走路时,我注意到更多的自然体重变化. 这种差异似乎在训练的早期就出现了. 我得说,在6-8次测试中,我注意到了不同之处.”

沃尔夫的主要交通工具是轮椅, 但由于使用倾斜的跑步机,他的助行器明显更加活跃. That increased activity alone may be enough of a benefit of the training; even if a complete recovery cannot be achieved, 多走路有很多好处, 包括改善心血管健康和体重管理, 举几个例子.

巴索承认,对一些早期的积极发现有一定程度的惊讶. “当我看到他们以新的、更正常的方式移动腿时,我感到不寒而栗. 我们的病人在治疗过程中表现出的一些症状是我作为理疗师职业生涯中从未见过的.”

还有更多的工作要做, 包括建立基于实验结果的全身动力学模型,以帮助评估下坡训练对特定肌肉功能的影响. 但由于最初的结果令人鼓舞,该团队期待着下一步.

“对于这样一个新颖的解决方案, 在全国范围内实施下坡跑步机疗法是相当简单的,Schmiedeler说. “令人兴奋的是,这项研究, 如果成功, 能被康复机构迅速利用吗, 花费很少.

他说:“我希望我们能帮助每一个在恢复过程中停滞不前的人。. “这可能不现实, 但如果我们能帮助很多人, 也许这可以扩展到更多的人, 在这个过程的早期.”