大腦控制有觸覺的假肢!NEJM人機融合的時代來臨了

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所属分类:健康養生
摘要

想要了解這項開創性的「人機融合」發明是怎麼做到的,首先要複習一下國中的生物課內容。舉例來說,你要拿起掉到地上的錢包,大腦下達指令由神經傳達,當你碰到錢包的瞬間,指尖會給出反饋,告訴大腦「碰到了」然後大腦再下達「抓起來」的指令。

大家童年時對於義肢的印象,應該是電影彼得潘中虎克船長的鉤子手吧?這樣的義肢幾乎只有裝飾作用,想要有感覺或是做複雜的動作,都是癡人說夢。但是近日新英格蘭醫學期刊(NEJM)報導的研發成果,已經做出了能夠做出指令,甚至有觸覺的義肢!

根據這篇報導,現在有 3 名患者使用這樣的義肢。由於假臂功能的改進,患者1已經恢復全職工作,並且還能夠滑雪、冰下捕魚、騎雪地摩托車。患者2已經能夠參加汽車拉力賽,並用義肢修理汽車。患者3能夠使用義肢進行野外定向、劃獨木舟和滑雪。

所有的患者都說接受治療後他們更加信任義肢,已經認為義肢是他們自身的一部分,還說義肢對他們的自尊、自我形象和社會關係產生了積極的影響。

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義肢缺乏感覺是主要問題

想要了解這項開創性的人機融合發明是怎麼做到的,首先要複習一下國中的生物課內容。舉例來說,你要拿起掉到地上的錢包,大腦下達指令由神經傳達,當你碰到錢包的瞬間,指尖會給出反饋,告訴大腦碰到了然後大腦再下達抓起來的指令。

這一過程在正常人體內瞬間發生,易如反掌,但是義肢技術一直無法突破性,主要原因就是缺乏人體對義肢的直覺控制和感覺反饋系統。

瑞典多家大學以及麻省理工學院媒體實驗室的研究人員與Integrum AB公司合作,進行了長達數年的研究,他們發明了一種受大腦直覺控制、有觸覺體驗的仿真義肢,這款義肢同時與使用者的神經、肌肉和骨骼相連接。四位手臂截肢的患者安裝了這種義肢,並且使用了3到7年不等。

研究團隊突破 5 項科技難題

研究團隊總共有 5 件事情需要突破:神經移植、骨頭整合、人機連結、義肢控制系統,以及感覺反饋。

神經移植

改善義肢功能最大的挑戰是截肢過程中,手臂神經失去了對其所控制肌肉的支配,如此一來切斷了大腦中樞與肌肉溝通的橋樑。2006年,美國西北大學的Todd Kuiken和Gregory Dumanian博士開發了一種肌肉神經重建的外科手術(Targeted Muscle Reinnervation,TMR),即使患者手臂在十多年前被截肢,也可以透過手術將殘留的手臂神經轉移到其他肌肉部位,重新建立神經支配。

骨頭整合

我們對於義肢的印象,常常是可卸式的,但是這種要人機整個的義肢,包括骨頭都需要進行整合。這方面就用到了牙科的技術,牙科很早就開始植入假體。團隊參考了相關術式,將義肢從手臂、肘關節和手組成,與接合件連接。

人機連結

團隊用於人機接口的植入系統稱為e-OPRA,植入系統利用骨整合技術與殘肢相連。義肢直接連接到骨骼,從而提供機械穩定性。神經和肌肉也通過神經肌肉電極與義肢的控制系統連接,在義肢和大腦之間雙向發送訊號。

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義肢控制系統

義肢控制器被設計為一個獨立的可穿戴元件,能夠解碼運動意願並提供直接感覺反饋。假臂不需要外部電池、電線或設備來維持功能,而由肌外膜電極來控制。

假肢控制和通信單元是假臂控制器的核心模塊,可以使用數字和模擬訊號控制假體設備。神經刺激器可根據假手傳輸的感覺訊號,向輸入神經系統提供直接的訊號反饋。

感覺反饋

對於一個截肢的人來說,讓假肢獲得身體感覺是很困難的。在本項研究中,引起觸覺感知的電刺激被耦合到假手拇指上的壓力傳感器,使患者感覺到來自假手的真實觸感,患者可以感覺到何時觸摸物體、物體的特性以及按壓物體的力度。理想情況下,假手的傳感器數量應該與接口的分辨能力相匹配,這樣患者就可以在假手上傳感器能夠探測的所有部位獲得感覺。

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 3 名使用者證明人機一體有望成真

在日常生活中,患者可以在沒有指導的情況下有效使用假臂。使用3~7年後,3例患者的神經肌肉骨骼接口都保持了正常功能(另一名患者未參與隨訪,但有在兩年半的日常生活中使用神經肌肉骨骼假臂的記錄)。在隨訪期間,患者未發生嚴重不良事件、感染、出血或者因植入物不良事件導致的停用假臂。

當前的研究針對的是肘部以上截肢的患者,而研究團隊也同時正在開發肘部以下截肢患者以及腿部假肢的人機對接。未來,人機一體的畫面,似乎將不再只是科幻電影中的情節。

參考資料:Self-Contained Neuromusculoskeletal Arm Prostheses

文/必利吉 圖/犀利士

本文圖片為影片截圖:The most natural robotic prosthesis in the world

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