韓國(guó)：3D打印的手矯形器可改善脊髓損傷患者的手功能

2020年2月11日，南極熊發(fā)現(xiàn)在最近發(fā)表的“為脊髓損傷患者開發(fā)3D打印的肌電手矯形器”論文中，韓國(guó)研究人員提出了一種新穎的可穿戴醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)備可以幫助脊髓損傷患者實(shí)現(xiàn)更好的手功能。

盡管世界各地的研究人員和制造商已經(jīng)設(shè)計(jì)了無(wú)數(shù)種假肢（從腳踝和腳到手和手臂的假肢），但研究人員指出了他們進(jìn)行這項(xiàng)研究的動(dòng)機(jī)，因?yàn)橹挥泻苌俚纳现僦軌虺晒Φ貙?shí)現(xiàn)功能性。先前的研究集中在材料和強(qiáng)度上，而不是實(shí)際的承受能力和對(duì)患者的舒適性。

為這項(xiàng)研究創(chuàng)建的矯形器通過(guò)定制的肌電圖（EMG）信號(hào)起作用，該信號(hào)將輸入發(fā)送到控制器，所有這些信號(hào)都可以直觀地了解患者的意圖。團(tuán)隊(duì)在SolidWorks中設(shè)計(jì)了零件，然后使用PLA在Moment2上進(jìn)行了3D打印。該設(shè)備的制造成本約為230美元，并且預(yù)計(jì)將來(lái)還會(huì)進(jìn)一步降低。

矯形器由前臂袖口，手和指環(huán)部分組成。袖帶還包括背側(cè)和掌側(cè)前臂夾板，其特征在于線性馬達(dá)控制著腕部的伸展。

△手矯形器的示意圖設(shè)計(jì)，在每個(gè)指環(huán)部分和手部分的掌側(cè)設(shè)計(jì)了線纜引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以引導(dǎo)尼龍線。

當(dāng)腕部由線性電動(dòng)機(jī)伸出時(shí)，尼龍線會(huì)擰緊，這會(huì)增強(qiáng)腱固定的抓地力。 因此，腕部伸展導(dǎo)致包括拇指在內(nèi)的每個(gè)手指的指間和掌指關(guān)節(jié)同時(shí)彎曲。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶可以抓住物體-這是該設(shè)備與眾不同的主要特征之一，更多的人可以使用該設(shè)備進(jìn)行抓取，特別是手腕控制不足的患者。

△3D打印矯形器的每個(gè)動(dòng)作

a當(dāng)通過(guò)sEMG信號(hào)激活線性電機(jī)時(shí)，手腕伸出，這會(huì)導(dǎo)致腱固定。 另外，隨著手腕的伸出，連接到每個(gè)指環(huán)部分末端的尼龍線也被擰緊，從而增強(qiáng)了握力。 b當(dāng)電動(dòng)機(jī)返回原位時(shí)，腕部伸出并釋放尼龍線的張力，并且手處于空檔位置。 c-e受試者正在使用矯形器拾起TRI-HFT中使用的易拉罐，骰子和木塊。 f矯形器的俯視圖。 g矯形器的底視圖。 箭頭指示連接每個(gè)指環(huán)和掌前臂夾板的尼龍線。

研究人員采用了帶有小型控制單元的Arduino微控制器板，該便攜式控制單元的尺寸為10 cm×5.3 cm×1.7 cm，重量為81g。

從表面電極記錄的sEMG信號(hào)經(jīng)過(guò)一些采集步驟（例如放大和帶通濾波）進(jìn)行處理，以提高信號(hào)質(zhì)量。然后，將處理后的sEMG信號(hào)的RMS值與自定義閾值進(jìn)行比較。 Arduino開發(fā)板根據(jù)RMS值的大小對(duì)是否進(jìn)行矯形器進(jìn)行分類。

從2019年3月27日至2019年4月31日，十名患有慢性SCI的患者（九名男性和一名女性，年齡在31至65歲之間）參加了該研究。

總體而言，當(dāng)研究人員與參與者一起工作時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)矯形器能夠“顯著改善”頸椎SCI患者的手部功能，并且收到了有關(guān)該設(shè)備可用性的良好反饋。研究人員還期望隨著參與者不斷適應(yīng)該系統(tǒng)而獲得更好的結(jié)果。

“此外，如果我們?cè)隗w積和調(diào)整方面優(yōu)化矯形器，它可以很快用于臨床，并擴(kuò)展到其他神經(jīng)系統(tǒng)損傷的人，例如中風(fēng)或臂叢神經(jīng)損傷患者，”研究人員總結(jié)說(shuō)。

“這仍然是研究的早期階段，需要改進(jìn)一些領(lǐng)域。但是，這種3D打印的肌電手矯形器似乎具有成本效益，并且有望用作傳統(tǒng)設(shè)備的替代產(chǎn)品。我們希望這項(xiàng)研究將成為使用3D打印技術(shù)的輔助設(shè)備研究的基石。”

編譯自：3dprint