MIT 新设备助力假肢技术迈上新台阶,“人”“机”交融或不再是梦

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MIT 新设备助力假肢技术迈上新台阶,“人”“机”交融或不再是梦
麻省理工科技评论 2018年6月6日

2018年6月6日

这种被称为主动肌-拮抗肌神经接口(AMI)的新模式,通过一种新的假肢手术实现,并在假肢中保留了动态肌肉反馈系统。
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这种被称为主动肌-拮抗肌神经接口(AMI)的新模式,通过一种新的假肢手术实现,并在假肢中保留了动态肌肉反馈系统。

正常人即使闭上眼睛,也可以准确地感知肢体的位置、速度和扭矩。这种感觉被称为本体感受,可以让人们精确地控制自己的身体动作。尽管近年来人体假肢有了显着的改进,研究人员仍然无法让假肢也有这种本体感受,这也限制了患者准确控制假肢运动的能力。

日前,麻省理工学院媒体实验室极限仿生学中心(Center for Extreme Bionics at the MIT Media Lab)的研究人员已经成功开发出一种新的神经接口通讯模式,能够将动作指令从中枢神经系统发送到机器假肢,并将假肢关节运动的本体感受反馈回中枢神经系统。这种被称为主动肌-拮抗肌神经接口(AMI)的新模式,通过一种新的假肢手术实现,并在假肢中保留了动态肌肉反馈系统。麻省理工学院对 AMI 进行了广泛的临床试验,并第一次成功为布莱根妇女医院(Brigham and Women’s Faulkner Hospital)的一名患者实施了手术。

发表在 5 月 31 日“Science Translational Medicine”上的一篇论文中,研究人员描述了膝关节截肢患者首次实施 AMI 手术的例证。根据麻省理工学院媒体实验室媒体艺术与科学教授、论文作者兼项目总监 Hugh Herr 的说法,这篇论文首次阐述了假肢有了的关节位置、速度和扭矩等本体感受信息,而且这些信息能从假肢传回中枢神经系统。Herr 说,“我们的目标是实现神经系统与神经系统周围的肌肉以及仿生假肢之间的反馈循环。”为了做到这一点,研究人员使用了与人体相同的生物传感器来产生本体感受。

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AMI 由主动肌和拮抗肌,两个相对的肌肉肌腱组成。通过外科手术将其相互连接,当有意识控制或电子激活时,一个肌肉收缩另一肌肉就会拉伸,反之亦然。这种耦合运动能让肌腱中的神经生物传感器将电信号传输至中枢神经系统,传达肌肉长度、速度和力量信息,然后这些信息被大脑翻译为假肢的本体感受。Herr 说,肌腱的本体感受就是这样在人体关节中发挥作用的。“因为肌肉有天然的神经,当主动肌和拮抗肌作出动作时,信息通过神经传递到大脑,使人感觉到这些肢体的动作,还有关节的位置、速度和负荷”。通过将 AMI 与电极电连接,研究人员可以检测肌肉中的电脉冲,或者向肌肉施加电脉冲使其收缩。

Herr 说,“当患者想要移动仿生脚踝时,信号映射到仿生脚踝的 AMI,实现前后移动,然后信号通过神经系统反馈传递到大脑,使截肢者能够实际感觉到仿生脚踝正在移动的角度和范围”。论文第一作者 Tyler Clites 认为,解码神经系统内本体感受的电子信号是非常困难的。Clites 说,“通过这种方法,我们不需要创建电子信号,而让生物传感器发出电子信号,这些传感器能将机械拉伸转化为电信号,大脑就可以将其翻译为位置、速度和力量的感觉。”

来自波士顿布莱根妇女医院的一名患者,成功接受了第一例 AMI 手术。手术由论文的作者之一、外科整形医生 Matthew Carty 和麻省理工学院的一名科学家主刀。在这项手术中,医生在膝下截肢患者的假肢中加入了两个 AMI,其中一个控制假肢踝关节,另一个控制距下关节。Carty 说,“为了让这种新型假肢发挥作用,我们需要将该接口程序与假肢结合起来,才能实现新假肢的附加功能。协作是至关重要的,因为该接口程序的设计决定了机器假肢的设计,反之亦然。”为此,麻省理工学院开发了一个先进的假肢,并在手术中,将其通过 AMI 肌肉上的电极与患者的周围神经系统电连接。

手术后,研究人员比较了 AMI 患者与经历了传统膝下假肢手术的四名患者的运动。他们发现 AMI 患者对假肢的运动控制更稳定,并且比传统假肢患者的运动更有效。他们还发现,AMI 患者表现出了很快的自然反射行为,例如在走下楼梯时将脚伸向下一级台阶。

这些行为对于正常人类是必不可少的,而所有经历传统假肢手术的人群不可能做的到。更重要的是,传统假肢患者感觉与假肢是脱离的,但 AMI 患者会感觉到仿生脚踝和脚已成为他们自己身体的一部分。Clites 说,“这非常有意义,这位患者的大脑和脊髓已经适应了假肢,它们就像是原生的一样,使假肢变得活跃。本体感受对于大脑适应假肢非常重要。”

佛罗里达大学工程创新教授 Daniel Ferris 说,对于一个截肢的人来说,让假肢获得身体感觉是很困难的。Ferris 表示“这是开创性的研究。患者对假肢有更好控制和反馈能增强他们的主观感受。我希望创伤性假肢患者能接受这一手术,并为他们的假肢加入这一接口,这可以为患者提供更高质量的生活。”之后,研究人员又对其他 9 名膝关节以下假肢患者实施了 AMI 手术,并计划将这一技术移植到到膝关节以上、肘关节以下和肘关节以上假肢患者的身上。

Herr 说:“以前,人类通过工具来使用科技。现在已经到了新的人机交互时代,我们设计的东西能真正成为我们身体的一部分。”

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