机器人脊柱外骨骼可以帮助治疗畸形

机器人脊柱外骨骼由两个串联的六自由度并联驱动模块组成，每个模块有六个驱动四肢。每个模块控制一个环相对于相邻环在三维中的平移/旋转或力/力矩。

资料来源：Sunil Agrawal / Columbia Engineering

脊柱畸形，诸如特发性脊柱侧凸和脊柱病（也称为“HPHBACK”）的特征在于脊柱中的异常曲率。通常建议具有这些脊柱畸形的儿童佩戴围绕躯干和臀部的支撑，以纠正异常曲线。已经显示支撑以防止异常曲线的进展并避免手术。在过去的50年里，支撑的潜在技术并没有从根本上改变。

虽然支具可以延缓青少年脊柱异常弯曲的进展，但目前的支具由于其刚性、静态和无传感器设计而存在许多局限性。此外，使用者发现它们穿着不舒服，可能会因长期过度用力而导致皮肤破损。此外，支具提供的矫正功能无法控制，使得使用者在治疗过程中难以适应躯干的变化，导致疗效下降。

为了解决这些缺陷，哥伦比亚大学工程学院的研究人员发明了一种新的机器人脊柱外骨骼(RoSE)，可以解决大部分的这些限制，并为脊柱畸形提供新的治疗方法。RoSE是一种动态脊柱支撑，使该团队能够进行第一次在体内测量躯干刚度的研究，并表征人体躯干的三维刚度。

“为了我们的知识，对像我们这样的动态牙箍没有其他研究。早期的研究使用尸体，根据定义不提供动态图片，“哥伦比亚哥伦比亚哥伦比亚工程教授，哥伦比亚大学哥伦比亚大学医师和外科医院康复和再生医学教授。“玫瑰是第一个测量和调制所有六个自由度的位置或力量在躯干的特定区域中的位置或力量。本研究主要是基础，我们认为在表征和治疗脊柱畸形方面将导致令人兴奋的进步。“

在Agrawal的机器人和康复（咆哮）实验室开发，玫瑰的三个环组成了脊柱的骨盆，中胸部和上胸部地区的三个环。两个相邻环的运动由六度自由度并行致动机器人控制。总的来说，该系统具有12个自由度由12个电机控制。玫瑰可以控制上环的运动相对于骨盆环或在运动期间在这些环上施加受控力。该系统还可以在特定方向上施加校正力，同时仍然允许在其他方向上自由运动。

八个健康的男性科目和两个具有脊柱畸形的男性受试者参加了试验研究，旨在表征躯干的三维刚度。研究人员使用玫瑰，控制受试者躯干特定横截面的位置/取向，同时测量施加的力/时刻。

结果表明，人体躯干的三维刚度可以用RoSE进行表征，脊柱畸形诱发的躯干刚度特征与健康受试者有显著差异。脊柱异常曲线是三维的;因此，刚度特性是曲线特有的，并取决于曲线顶点在人体躯干上的位置。“我们的研究结果为设计脊柱支架提供了可能性，该支架可以结合患者特定的躯干刚度特征，”该研究的联合首席研究员大卫·p·罗伊(David P. Roye)说，他是哥伦比亚大学欧文医学中心(Columbia University Irving Medical Center)的脊柱外科医生和儿科骨科教授。“我们的发现也可能导致使用动态三维力调节治疗脊柱畸形的新干预措施。”

“We built upon the principles used in conventional spine braces, i.e., to provide three-point loading at the curve apex using the three rings to snugly fit on the human torso,” says the lead author Joon-Hyuk Park, who worked on this research as a PhD student and a team member at Agrawal’s ROAR laboratory. “In order to characterize the three-dimensional stiffness of the human torso, the RoSE applies six unidirectional displacements in each DOF of the human torso, at two different levels, while simultaneously measuring the forces and moments.”

虽然这一研究用来使用为成年人设计的男性支架，但他的团队已经为女孩设计了一支因特发性脊柱侧凸的括号，而不是男孩比男孩更常见。该团队正在积极招募脊柱侧凸的女孩，以表征躯干刚度如何因这种医疗状况而变化。“脊柱刚度的定向差异可能有助于预测哪些儿童可能会受益于支撑和避免手术，”Agrawal说。