动力矫形器和外骨骼
动力矫形器和外骨骼是可穿戴的机器人设备，它们为人体肢体提供外部驱动、传感和控制，以辅助、增强或恢复运动。与仅限制或重新定向运动的被动支具不同，这些系统通过电机或其他执行器提供能量，并利用车载传感器和控制软件根据穿戴者进行调整。该领域涵盖了脊髓损伤或中风患者的辅助行走设备、微处理器控制的假肢，以及连接这些设备与神经系统的神经接口。
Definition
动力矫形器和外骨骼是可穿戴的机电系统——由执行器、传感器和控制架构组成——它们与身体节段并行或替代身体节段工作，以提供辅助扭矩或动力，旨在支持运动、操作或康复。
Scope
本领域旨在向读者介绍区分主动（动力）矫形器和假肢与传统被动设备的设备类别、工作原理和临床目标。它分为四个主题：动力外骨骼的分类和工程原理；用于运动和步态康复的主动下肢外骨骼；微处理器控制的假肢；以及神经接口和感觉反馈。这是一份参考教育性概述，而非采购、处方或培训指南。
Sub-topics
Core questions
- 动力（主动）设备与被动矫形器或传统假肢有何区别？
- 传感和控制策略如何使设备适应穿戴者的意图和步态周期？
- 动力辅助已针对哪些临床人群和目标进行了研究？
- 接口——机械、肌电和神经——如何在用户和设备之间传递意图和反馈？
Key concepts
- 主动与被动设备
- 驱动和电源
- 传感和意图检测
- 分层控制（高/中/低层）
- 人机回路适应
- 步态周期和有限状态控制
- 双向接口（指令和反馈）
Mechanisms
动力设备在穿戴者和机电系统之间形成一个闭环。传感器（编码器、力或压力传感器、惯性单元和生物电电极）估计穿戴者的状态和意图；控制层级将该估计转化为执行器指令；执行器在一个或多个关节处提供扭矩或动力。该领域的综述将这种分层描述为高层意图识别、中层状态和轨迹控制以及低层执行器控制 [tucker-2015]。下肢系统通常围绕步态周期组织，切换辅助以匹配站立期和摆动期 [yan-2015]。假肢系统解码残余肌肉或神经活动——有时通过手术神经转移放大——以控制设备 [hargrove-2013]。
Clinical relevance
动力矫形器和外骨骼被研究用作支持神经系统疾病或肢体缺失患者站立、行走、伸手和抓握的工具，以及作为任务密集型康复的平台。报告描述了它们在脊髓损伤和中风后的应用 [esquenazi-2012]。本条目描述了该技术如何分类以及证据如何产生；它不是为个人选择、安装或开具设备的基础，这需要专业的临床评估。
Evidence & guidelines
证据基础主要由工程综述、设备可行性研究和小型队列研究构成，而非大型随机试验。叙述性综述总结了动力矫形器、外骨骼和主动假肢的控制策略和辅助方法 [tucker-2015][yan-2015]，而早期临床报告记录了特定下肢外骨骼的行走结果 [esquenazi-2012]。读者应谨慎对待个别设备的声明，并查阅当前系统评价和任何特定产品的监管信息。
History
随着便携式执行器、电池、微控制器和生物电传感技术的成熟，动力辅助从被动支具和身体驱动假肢发展为机电系统。早期的动力外骨骼旨在负重和康复；临床转化在2010年代加速，出现了用于脊髓损伤的可穿戴步态外骨骼 [esquenazi-2012] 和解码神经和肌肉信号进行控制的假肢 [hargrove-2013]。
Debates
- 动力设备比被动替代品增加了多少功能益处？
- 综述指出，增加的驱动、重量、成本和复杂性必须通过功能或康复结果的可衡量收益来证明其合理性，并且对于许多设备而言，严格的比较证据仍然有限。
Related topics
Seminal works
- yan-2015
- tucker-2015
- esquenazi-2012
Frequently asked questions
- 外骨骼与传统矫形器有何不同？
- 传统矫形器是被动的——它限制、支撑或重新定向运动，但不提供能量。动力外骨骼包含提供扭矩或动力的执行器以及适应穿戴者的控制系统，因此它可以主动辅助或驱动运动。
- 这些设备可以替代康复治疗吗？
- 不可以。它们被研究用作康复或辅助工具，而不是独立的治疗方法。它们的选择和使用是合格专业人员做出的临床决策，本条目仅为教育参考资料。