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用于改善行动障碍的可穿戴神经套筒

2024-05-15 来源:elecfans

《Disability Impacts All of Us》一文指出,12.1%的美国成年人有行动障碍,他们在行走或爬楼梯等方面有严重困难。这些行动困难正严重损害着患者的身体安全和情绪健康,并可能导致许多其他并发症。随着人口老龄化,这一问题将变得日趋严重。

为了帮助女儿以及像她一样的行动障碍患者,Jeremiah Robison在2018年创立了Cionic公司,并专注于为因多发性硬化症、中风、脑瘫和其他神经系统疾病而出现行动不便的人提供仿生服装,帮助他们更独立地移动、行走。4年的时间里,Jeremiah Robiso及其团队将Cionic可穿戴神经套筒从工作室里的概念变为了一款经FDA批准的产品。

聚焦肌肉与神经信号,

让肢体和大脑进行有效沟通

对于许多行动障碍患者来说,常规的治疗方法是使用踝足矫形器,这是一种能够固定脚部的硬塑料支架。其他的辅助设备还包括助行器、拐杖和轮椅等。虽然这些设备能够帮助防止跌倒并提供一定的活动能力,但它们并不能解决潜在的神经、力量和协调问题。其中,一些设备在人们上楼梯等应用场景中显得笨重且无用,还会暴露患者的行动障碍,让他们面临着侵扰性的问题和社会耻辱。

另一种治疗方法则是使用外骨骼设备。外骨骼设备较为笨重,依靠遥控、外部电极或手术植入的脑机接口来操作,受到电池容量、有限的运动范围等诸多因素的制约,并且有些设备成本一直居高不下,影响了其普及率。

如果说,外骨骼的外形是人体骨骼系统的灵感再现,那么Cionic的灵感则来自人体自身的肌肉与神经信号。

因为即使肌肉有力量、机体没有需要治疗干预的病痛,大脑在复杂运动中正确地调动肌肉也可能成为部分群体的巨大挑战。对于数百万因中风、多发性硬化症和其他神经系统疾病而行走困难的人来说,最大的问题不在于他们的腿部受伤,而在于他们的大脑不能有效地与肢体进行沟通、无法在复杂的运动过程中按照正确的顺序激活肌肉。

“因此,我们的技术目标不是像假肢那样取代骨骼系统,而是取代大脑中负责控制步态和复杂运动的神经信号部分。”如此一来,便能够创造一个更加稳定的运动系统,避免跌倒,减少患者行动障碍。Cionic的技术能够协调受损肌肉的神经放电,并提供比僵硬的支架或耐用医疗设备更自然的运动模式。

与在人身上安装一个机器人来移动他们的身体相比,Cionic将人工智能与身体连接起来,让人工智能理解用户想要做的动作,并激活身体自身的肌肉来实现动作。Cionic把这种技术嵌入到“衣服”中,让它像裤子或袜子一样容易穿戴。

在研发过程中,Cionic与世界著名的工业设计师Yves Behar及其多学科机构fusionproject合作。他们将为电极提供电力的总电线集成到柔软的织物中,并设计的易于穿戴。为此,Cionic曾在不同的场景中用50多个原型设备以不同方式进行了测试检验。

Cionic可穿戴神经套筒最重要的特点是,它的设计看起来不像医疗产品而像运动产品,并且有不同的颜色可供选择,看起来与普通的运动裤十分相似。“当人们有行动障碍时,他们会有一种需要被照顾的感觉。而我们希望患者能够以一种与正常人无异的、平等独立的方式生活”,Cionic创始人Jeremiah Robison说道。

Cionic表示,其可穿戴神经套筒已经使试验参与者中有中度到重度疼痛的人数减少了60%,有中度到重度焦虑或抑郁的人数减少了75%。许多用户还表示自己的活动能力得到了改善。

Cionic可穿戴神经套筒轻便、耐用,可以在任何地方穿着。该设备可以通过电刺激受损腿部的肌肉,促进肌肉再教育、防止/延缓废用性萎缩、促进局部血流,从而改善个体的步态。

连续运动分析+功能性电刺激,

实现个性化护理

Cionic可穿戴神经套筒是一款将步态实验室的诊断能力与功能性电刺激(FES)的治疗能力相结合的仿生服装。

该设备可以包裹在人的大腿和小腿上。在其透气的织物内部隐藏着一个由传感器和电极组成的系统,它们可以与一个由人工智能驱动的应用程序进行通信。传感器能够实时监测患者的运动状态,评估肌肉收缩情况和肢体位置。接着,应用程序会分析这些数据,预测一个人在脚离开地面之前的1/10秒内的迈步意图。然后,它指挥电极按照步态周期的正确顺序激活腿部的肌肉,以支持人体自然的运动。

Cionic可穿戴神经套筒拥有专有的读写神经接口,可实时测量分析肌肉跳动和肢体位置,对每个动作进行分析,准确反映肌肉的活动状态和力量以及肢体的运动轨迹和姿态。并且,该系统具有灵活的情境感知,能够识别患者是坐着、站着还是走路,并根据环境和用户的状态提供适时的刺激。

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Cionic可穿戴神经套筒可实现个性化全腿刺激 图源Cionic官网

该系统的一个重大创新是通过软件控制电流,使患者能够精确地调节肌肉骨骼系统(或身体)的细微运动。传统的刺激系统需要手动放置电极,所以每进行一种新的功能性运动,都意味着可能需要移动电极。而Cionic可穿戴神经套筒则避免了这一缺陷。

Cionic应用程序适用于iOS和Android系统,用户可以通过手机或平板电脑来控制和管理神经套筒的设置和功能。得益于该软件,Cionic可穿戴神经套筒可实现个性化护理。EMG和运动学报告可实时监测患者的运动进度、追踪患者的长期进展,并与其医疗团队共享数据。同时,该应用程序可通过提供练习和教育资源实现定制化治疗。

值得注意的是,该设备还具有自适应算法,能够根据输入的数据和反馈的结果,自动调整刺激的频率、持续时间、波形和顺序等参数,不断优化刺激模式,实现“让每一步都比上一步更智能”。

并且,Cionic可穿戴神经套筒具有舒适、直观的设计,易于穿脱,可以减少用户在穿戴期间的不适和压力。其内置的电池可以持续工作8个小时,能够满足用户的日常活动需求,可全天提供帮助。

已被FDA批准为

Ⅱ类医疗设备

Cionic的多中心研究试验检验了Cionic可穿戴神经套筒对于辅助踝关节下垂患者的有效性。参与者在他们受影响较大的一条腿上佩戴了神经套筒。通过调节刺激的频率、脉宽和幅度,使得踝关节背屈肌群被激活,然后用户在有无步态辅助刺激的情况下进行连续的步行测试。该研究的主要终点是提高踝关节背屈度,以改善足部的离地高度。在成对的连续测试中,94%的参与者在踵着地时的踝关节背屈度有了积极的提高。

但踝关节背屈只是行动障碍问题的一部分。许多有足下垂的人也表现出踝关节过度内翻,这可能导致脚外侧着地,增加踝关节受伤和摔倒的风险。Cionic的软件可操纵刺激阵列使神经套管能够平衡背屈的增加和内翻的减少。88%的参与者在摆动期间显示出踝内翻有积极的改善。

把所有参与者在这两个指标上的改善叠加起来后,Cionic的步态辅助试验显示,所有参与者的平均综合改善度为9°。


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