【20250109】Nature子刊：一种可改善帕金森患者冻结步态的柔性可穿戴机器人系统...

引言：冻结步态（FoG）是帕金森病中一种极具破坏性的步态障碍，会导致患者在行走时意外停顿。目前针对冻结步态的治疗效果有限且短暂，因此缺乏有效的治疗方法。该论文展示了一种使用机器人改善帕金森冻结步态的概念验证，即通过使用可增强髋关节屈曲动作的柔性机器人系统，辅助患者在步行过程中的大腿发力，能够有效避免冻结步态，并且在一个73岁的真实帕金森患者身上得到了验证。

【基本信息】

论文标题：Soft robotic apparel to avert freezing of gait in Parkinson's disease

发表期刊：Nature Medicine

发表时间：2024年1月5日

【访问链接】

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41591-023-02731-8

【科学问题】

帕金森患者的冻结步态（Freezing of Gait，FOG）是一种典型的运动功能障碍症状，主要表现为患者下肢步行起步困难，迈不开腿，走不了路，或者在行走过程中会突然停下来，因此有人将这种现象描述为“脚被粘在地板上”。

值得注意的是，高达80%的帕金森患者都会出现冻结步态，导致患者步行过程不稳定，容易摔倒，且给患者带来焦虑的情绪。 冻结步态目前没有十分成熟的治疗方法，往往需要结合药物、手术及康复训练等手段来完成，且治疗效果因人而异。

帕金森的发病机制比较复杂，因此冻结步态发生的原因也很复杂，目前人们对其了解甚少。

一般认为，基底神经节和脑干中运动神经回路的紊乱是导致冻结步态的原因 。从生物力学角度来看，冻结步态明显表现为行走时空间和时间力学的明显紊乱 。在冻结发作前，下肢的运动幅度会显著减小 。具体而言，步幅会缩短 ，同时步频呈指数级增加，导致步态速度降低 ，并且还伴随着下肢主动肌 / 拮抗肌的肌肉激活不协调 ，以及涉及髋关节和踝关节的矢状面关节活动度减小 。

可穿戴机器人系统在改善其他神经系统疾病（如中风、脑瘫和脊髓损伤）的运动学方面已经被证明了颇为有效 。

因此，针对冻结步态，该论文认为可穿戴机器人也可以提供机械辅助来改善行走的时空特征，缓解冻结发作前的步态恶化，还可能持续发挥维持步态的作用，从根本上减少导致冻结步态的运动误差积累。

【核心思路】

来自美国哈佛大学（Harvard University）和波士顿大学（Boston University）的研究人员共同研发了一种柔性可穿戴机器人系统，能在行走的摆动阶段为双侧髋关节提供辅助屈曲扭矩，从而助力腿部前摆行走。

该机器人系统可以穿戴在腰部和大腿周围，用于与患者固定，同时也是柔性缆线的驱动器和传感器的连接点（用于测量施加力的测力传感器，以及测量穿戴者运动的惯性测量单元（IMU））。

利用 IMU得到患者下肢的运动数据，则可以使用算法来估计步态周期的阶段，并在适当的时候（上图中虚线处，脚后跟离地阶段）触发驱动器，使其与髋关节屈曲时产生的生物力矩协同产生外部辅助力矩，从而驱动患者主动迈步。

【实验结果】

由于该研究是一项概念探讨研究，因此只针对一名73岁的帕金森患者进行了实验。

该患者帕金森发病10年，尽管接受了手术和药物治疗，同时还采用了行为策略，但该患者仍饱受严重且致残性的冻结步态困扰，每天会经历多次（> 10 次）冻结发作，并伴有日常跌倒情况。

在这项为期 6 个月、进行 5 次重复测量的单病例试验中，患者在所研发的设备辅助下可实现室内行走时冻结步态的瞬间消除（无辅助时冻结时间占比为 39 ± 16%，有辅助时为 0%）。

与无辅助的行走相比，有辅助情况下患者的步幅明显增大，行走距离增加了 49 ± 11 米（+55%），步行速度加快（+0.18 米 / 秒），整体步态的质量得到了极大改善（步态变异性降低 25%）。

此外，该患者冻结步态的改善效果在多日、多种诱发条件和环境背景下均可重复，表明该类设备不仅有助于改善帕金森患者的冻结步态，还有在社区日常使用的潜力。

实验对照视频：