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瘫痪12年,外骨骼机器使她首次站立行走 | 机智过人

编者按:
央视综合频道《机智过人》第二季于8月11日晚8点首场登陆。这是央视一套倾全力打造的大型原创性科学综艺节目,将于每周六在黄金时段播出 。在这一季中,《知识分子》主编、清华大学教授鲁白,将全程与知名演员韩雪、主持人撒贝宁共同担任机智见证团嘉宾,带给观众三十个最新锐的人工智能项目。
全新升级的《机智过人》第二季,将着重体现“大国智慧,以人为本,惠及民生”,从展示大国骄傲技术、解决痛点难点问题、满足人类美好愿望的三个角度,聚焦“人工智能式的解决方案”,有高度、有温度地将人工智能技术带入观众的周末生活。
首期节目展示了3个人工智能项目,其中 “外骨骼机器人”项目,让很多观众感动得流泪:女警官黄曼开朗热情,积极向上,12年前,一场车祸,使她脊髓受损,颈部以下高位截瘫完全不能站立和行走。通过仅仅20天的训练,在央视的舞台上,外骨骼机器人帮助她第一次重新站了起来,甚至迈出了艰难的第一步。《知识分子》今天的文章将重点解读这项创造了奇迹的项目背后的科学和技术。
 
撰文 | 陈燕惠
责编 | 程   莉
 
林寒,今年30岁,2015年意外从4楼跌落,伤及脊髓,导致双下肢瘫痪,大小便失禁,无法正常生活。但在2015年第九届残奥会上,他却拿着火炬步行完成了火炬传递。
 
女警察黄曼的情况则更为严重,12年前的一场车祸彻底改变了她,由于从颈部开始神经信号传递就中断了,她脖子以下的身体完全失去知觉。这样严重的脊髓损伤,竟然也能够成功站起来并且缓慢向前迈步。
 
这些奇迹是如何实现的?
 
8月11日晚8点,央视大型原创性节目《机智过人》在第二季节目的首期揭示了其中的秘密:是外骨骼设备使他们再次站立行走。
 
中枢神经系统严重损伤几无再生可能
 
脊柱是人体的支柱。它上承头颅,下接骨盆,是一个类似埃菲尔铁塔的结构,不仅能够有效支撑人体躯干,而且还能保护极其重要的中枢神经系统中的脊髓。
 
脊髓就藏身在脊柱内部自上而下贯穿的脊管之中,它上端连接人类最高级的神经器官大脑,两侧连结神经,是传递躯体信息的重要中枢。
 
脑和脊髓组成的中枢神经系统,负责接收和传递全身各处的信息,一旦严重损伤,直接会导致受损节段以下肢体严重的功能性障碍,造成不同程度的四肢瘫痪或截瘫。
 
全运会跳马冠军桑兰,大家熟知的超人扮演者克里斯托弗•里夫(Christopher Reeve)等,都是因意外导致脊髓损伤的截瘫患者。在中国,每年脊髓损伤新发病例高达12万例,并且通常发生在青壮年时期,年龄在14到47周岁左右。
 
昂贵的治疗费用、长时间的康复训练及长期劳动力的丧失,是脊髓损伤患者不得不面临的巨大压力,一些人因此对生活失去了信心,甚至承受不了心理压力而选择自杀。
 
脊柱由7块颈椎(C1-C7),12块胸椎(T1-T12),5块腰椎(L1-L5),以及1块骶骨和1块尾骨叠加而成。走上《机智过人》节目的林寒,是胸椎的T11区受损,肚脐以下的疼痛感完全消失。而黄曼警官的情况更加严重,她属于C5/6平面的脊髓损伤,比林寒整整高了13个节段,属于重度一级伤残。
 
►黄曼和林寒损伤的部位
 
胸椎T11区损伤的林寒上腹肌力存在,并且仍有一定的躯干支撑能力,而C5/6平面受损会让黄曼颈部以下失去所有感知觉和复合知觉,手部力量非常薄弱。她们在节目中将接受人机合体试验的挑战——在外骨骼机器人的帮助下站起来,迈出一步、两步。
 
这在普通人看来是再容易不过的行为,而对于脊髓损伤患者,却是可望不可即的梦想。
 
在脑和脊髓以外的周围神经系统,主要负责联络中枢神经和其它各系统器官。周围神经系统的神经元轴突损伤,在一定程度上是可以进行自我修复的,但中枢神经系统的神经元轴突一旦损伤,很难再生。这意味着人的脊髓一旦严重受损便无法修复,也就永远不能站立,更不用说行走。
 
 
如何使成年哺乳动物的中枢神经系统获得再生的能力,一直是神经领域的世界级难题。
 
在20世纪80年代,加拿大科学家Aguayo用成年大鼠做实验,将切断的脊髓中枢神经轴突与周围神经对合,发现中枢神经轴突能够长入周围神经之中,长度达2—3厘米,说明中枢神经细胞的轴突确实具有再生能力。尽管此项成果为该领域的发展打下了良好基础,但是随后的十几年内对于脊髓损伤再生问题的研究却没有获得长足的进步。
 
直到1996年,以颁发诺贝尔生理学或医学奖而举世闻名的瑞典卡罗林斯卡医学院神经学教授欧森(Lars Olson)和中国台湾的郑宏志(Cheng Henrich)共同发现,尽管大鼠自体肋间神经切成几节之后,仍可通过含有成纤维细胞生长因子(FGF)的Fibrin胶粘合损伤脊髓的两端,并且在术后6个月可以观察到大鼠的行为功能和损伤脊髓的结构得到明显恢复的现象。这次研究的进展又重新燃起了人们对于脊髓再生的希望。一时间,世界各地的科学家再一次投入到各种尝试和研究的大军中,结果却收效甚微。因此从严格意义上来讲,大家仍认为成年哺乳动物的中枢神经系统在遭到严重损伤后几乎没有再生的可能。
 
四川造的外骨骼机器人
 
从神经生物学角度而言,脊髓损伤治疗的可行性似乎陷入了困境。那么,是否林寒和黄曼警官就再也不能获得重新站立的机会了呢?
 
其实,我们也许不应当只是孤立地寻找医学上用于脊髓损伤治疗的新技术。正所谓山重水复疑无路,柳暗花明又一村,伴随着科学和工程技术的高速发展,近几年来机器人辅助技术作为结合了多学科最新研究和发展的成果,正在广泛地运用到康复医疗领域当中,并且率先在多个国家投入使用,例如美国、以色列、德国和日本等。
 
长期以来,国内在外骨骼研究方面还处于相对空白的阶段。2010年,从美国卡耐基梅隆大学归国不久的程洪教授带领其团队,开始研发为人类四肢运动提供助力的机械外骨骼机器人。
 
2008年汶川地震发生后,身为四川人的程洪有一次来到四川省康复医院康复中心,他被眼前出现的上百位截瘫患者的场景震撼了。
 
“我觉得我以前的东西都白学了!”程洪的内心波澜起伏,“虽然一直从事机器学习与模式识别等相关研究,但是如何才能真正的用自己所学的知识去创造美好,帮助更多因脊椎损伤导致瘫痪的残疾人重新站立起来,实现直立行走才真正是我应该做的事。”
 
2015年,林寒作为一名特殊的志愿者,是第一位成功穿戴程洪团队自主研制的外骨骼设备的截瘫患者。由于林寒有一定的躯干支撑能力,因此在穿戴上第四代装备之后,他不仅能够在平地上行走,而且还能上下楼梯。
 
 
这得力于程洪精心设计的两个智能化产物:智能鞋和拐杖。一方面,智能鞋在台阶上行走的时候,因具有激光检测功能,会通过传感器判断上下楼梯的指令并且可以检测上下楼梯动作的完成度和安全性。另一方面,智能拐杖不仅可以接受人的意图,还能通过计算生成拟人化的步态,辅助行走。
 
在央视的节目中,林寒不仅可以行走,还现场迈上三级台阶,走上前去和鲁白、撒贝宁和韩雪三位嘉宾握手。
 
更大的挑战
 
到目前为止,已经有超过100 位截瘫患者和林寒一样借助外骨骼机器人获得了重新站立的机会。
 
而黄曼的情况格外不同。除了处于高位的颈椎平面脊髓损伤,她的身体还存在两个严重缺陷:核心肌群缺乏力量和平衡功能障碍。
 
得知黄曼的病情后,程洪团队接受了《机智过人》节目组的挑战,在20天内制定精准的治疗方案以帮助黄曼站起来行走。
 
和林寒不同,黄曼因为长期瘫痪导致全身肌力和耐力大幅度减退,因此在短短的20天内无法通过握力和上肢肌力的训练达到穿戴外骨骼的基本标准。而由于目前第四代外骨骼设备的运用上限是胸椎T6区,因此改造设备来适应她个人的实际情况也不现实。
 
为此,程洪团队通过不断讨论与验证,最终制定出了一套切实可行的方案。
 
首先,针对黄曼的身高,程洪团队为其量身定做了一套全新的外骨骼设备。其次,针对黄曼个人的身体状况,采用了胸背夹以及其他辅助手段帮其发力,并同时制定了相应的心肺功能康复训练方案。最后,将外骨骼设备从由手控制改造为脑电与肌电信号控制。
 
尽管如此,黄曼警官和程洪教授对于能否挑战成功并没有太多的把握。“仍然会有很多不确定性的因素影响试验结果。”程洪在节目中说道。
 
由于黄曼的上肢只能支撑起她身体约1/5的重量,因此即使在外骨骼的帮助下重新站立起来,仍然会因为下半身没有力量支撑而使身体处于一种悬空状态,这意味着必须借助智能拐杖等其他手段才能使身体保持平衡状态。
 
但第二个问题又接踵而至,使用拐杖的前提是患者手臂要有一定的力量进行功能的操控,但显然黄曼并不具备这样的条件。此外,20天的训练时间对于熟练掌握脑电和肌电信号的控制具有相当大的难度。
令人欣慰的是,虽然黄曼在训练的20天中都没能通过外骨骼机器人重新站立起来,但是在节目录制过程中,经过多次勇敢的尝试,她终于重新站立起来,并迈出了代表性的两步。一直陪伴左右、全程高度紧张的丈夫,此刻走上前紧紧抱住了她,现场观众一度为之动容,热泪盈眶。
 
黄曼迈出的这两小步对于人工智能领域而言,其实是一个巨大的进步。外骨骼的发展经历了从概念设想,到军用研究推动,再到民用的过程。在上世纪60年代末,美国纽约的研究机构General Electric Research与康奈尔大学合作研发了第一款外骨骼系统。到本世纪,一方面美国国防高级研究项目署为推进单兵增强型外骨骼研究推出的EHPA项目,催生了一系列新型外骨骼技术,来自加州大学伯克利分校的BLEEX系统是其中的典型代表。另一方面,外骨骼用于医疗康复特别是辅助下肢运动的研究逐渐成型。来自日本的HAL外骨骼系统和以色列制造商Rewalk Robotics设计的Rewalk是该领域的先行者。
 
2016年10月在苏黎世举办的“人机合体奥运会”上,外骨骼技术被发挥得淋漓尽致。作为一种自带动力的“步态康复”装备,外骨骼技术帮助了那些完全瘫痪并且不能控制双腿的选手完成一系列超高难度的动作,例如爬楼梯、坐到椅子上和操控设备穿过坡道。
 
虽然对于人与人机交互技术领域的研究起步较晚,但是程洪表示其带领的机器人研究中心团队也有自己的优势。目前,他们依托电子科技大学,已经具备较强的科研能力。“产业、学校、科研机构等相互配合,发挥各自优势,让科研成果可以更好、更快地实现产业化,到达患者身边。多年从业经验,有较强影响力的康复专家加盟,能够更加准确地定位患者实际需求。并且我们还和多家医院建立了合作关系,形成了良性循环。”程洪告诉《知识分子》。
 
“这是一个了不起的进步。“《知识分子》主编、清华大学教授鲁白表示,外骨骼设备是帮助脊髓损伤患者的一个强有力的工具,已经初步具备了广泛应用于各种生活场景的可能。未来还有很大的提升空间,比如克服体积和重量较大,缺乏柔韧性且造价昂贵等缺点,以及更好地模拟人的步态,达到正常人走路的速度。
 
鲁白表示,外骨骼机器人技术未来将走进寻常百姓家,不仅能够治疗和干预一些由疾病导致的行动障碍,还将在孤独老人的看护等方面发挥独特的作用。
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