大脑控制、真实触觉,“科幻”假肢已经变成现实
2020-05-04 15:59

大脑控制、真实触觉,“科幻”假肢已经变成现实

本文来自:学术头条(ID:SciTouTiao),原标题《大脑控制、有触觉、可自由活动,最“真实”假肢让三位患者回归正常生活》,题图:东方IC。


近日,顶级医学期刊 NEJM 发表了一项研究,报道了三位手臂截肢的瑞典患者,通过佩戴可以体验触摸感,同时受精神控制的手臂假肢,已正常生活了 7 年之久。研究人员表示,这几乎是世界上最“真实”的假肢,可以让患者通过大脑自由控制,并能感受到触觉。


全球有超过一百万的人肢体缺失(Limb Loss),肢体残缺不仅仅是身体上的损失,同时会对患者的心理造成极大的损伤,根据研究,大约 30% 的肢体缺失患者患有抑郁症、焦虑症或两者兼有。

为了尽可能降低肢体缺失患者对生活的影响,多国的研究小组开展了许多相关的研究,比如不久前 Cell 杂志曾刊发文章讲述使用脑机接口成功恢复患者触觉和运动。

近日,《新英格兰医学杂志(NEJM)》报告了三位手臂截肢的瑞典患者,他们使用可以体验触摸感同时受精神控制的手臂假肢,并利用这项技术生活了数年。



研究论文作者、查尔默斯理工大学生物机电和神经康复实验室负责人 Max Ortiz Catalan 表示:“我们的研究表明,与传统的假手相比,附着在骨骼上并由植入神经和肌肉中的电极控制的假手可以更精确地操作。我们通过整合患者使用的触觉反馈,进一步改善了假肢的使用。并且随着时间的推移,患者辨别感觉强度细微变化的能力有所提高。”


世界上最自然的假肢


NEJM 的这项研究由查尔默斯理工大学以及瑞典哥德堡的萨尔格伦斯卡大学医院、哥德堡大学和 Integrum AB 合作进行。奥地利维也纳医科大学和美国麻省理工学院的研究人员也参与其中。


他们在患者体内植入了一种受大脑控制的假体长达七年之久。自从接受了他们的假体,患者每天都在所有专业和个人活动中使用它们。在过去的几年里,他们还为假肢添加了一个新的功能,即假手的触感。



这种全新的人造假肢,被称为神经肌肉骨骼假体,因为它们连接到使用者的神经、肌肉和骨骼。


用于手臂假肢的植入系统称为 e-OPRA,它基于 Integrum AB 创建的 OPRA 植入系统。植入系统通过称为“骨整合”的过程,将假体固定在截肢肢体残端的骨骼上,并将电极植入截肢残肢内部的肌肉和神经中,e-OPRA 系统就像在生物手臂中一样,在假体和大脑之间的两个方向发送信号。


假肢由脑神经控制,而电子肌肉和神经信号则通过手臂残端发送并被电极捕获。该控制系统足够小以适合假肢内部,并使用复杂的人工智能算法处理信号,从而产生用于假手运动的控制信号。


触摸感觉则来自于人工拇指中的力传感器。来自传感器的信号由假体中的控制系统转换为电信号,然后发送这些电信号以刺激手臂残端的神经。神经通向大脑,然后大脑感知到手部的压力。




神经肌肉骨骼假体的新概念是独特的,因为它具有几种不同的功能,而这些功能在世界上任何其他假体技术中都还没有体现出来:


  • 它与人的神经、肌肉和骨骼有直接的联系。

  • 它是受精神控制的,并传递出用户认为是由于缺少手而引起的感觉。

  • 它是独立的,所需的所有电子设备都包含在假体中,因此患者无需携带其他设备或电池。

  • 该技术长期安全稳定,在患者的日常活动中得到不间断使用,并且没有受到研究人员的监督,不受限于狭窄或受控的环境。


同时,神经肌肉骨骼植入物可以连接到任何市售的手臂假体,从而使其更有效地操作。


最先进的假肢,将造福更多患者


失去胳膊或腿的患者经常会产生幻觉,好像身体的缺失部分仍然存在,尽管实际上并不存在。

而该新型神经肌肉骨骼假体,可以通过假肢拇指中的力传感器,使患者感觉到来自假肢手的真实触感,患者可以感觉到何时触摸物体、物体的特性以及按压物体的力度,这对于模仿生物手至关重要。

Max Ortiz Catalan 表示,“只有在患者和假体之间的连接长期安全可靠的情况下才能为患者带来真正的好处,这项研究的最重要贡献就是证明了这种新型假体在临床上可以替代失去的手臂。我们的研究是多年工作的结果,现在我们终于可以展示第一款通过植入电极可靠控制的仿生手臂假体,同时在日常生活中还可以向用户传达感觉。”

Max Ortiz Catalan 继续说道:“目前,传感器并不是恢复感觉的障碍,挑战在于创建一种神经接口,该接口可以无缝地将大量人工收集的信息传输到神经系统,从而使用户能够自然而轻松地体验到感觉。”


日常使用新型假肢的三位参与者(参与者 1:AB; 参与者 2:CDE;参与者 3:FGHI)


当前的研究针对的是肘部以上截肢的患者,这项技术已接近完成,而研究团队正在进行肘部以下截肢患者的新系统并行工作。该小组还致力于使该系统适用于腿部假肢。

Max Ortiz Catalan 表示:“目前,瑞典的患者正在参与这项新的假肢手臂修复技术的临床验证。我们预计该系统将在几年之内在瑞典以外的地区使用,而且我们在腿部假体的类似技术方面也取得了相当大的进展,我们计划在今年晚些时候将其植入第一位患者。”

研究团队的最终目标是与 Integrum AB 合作,开发一种适用于尽可能多的人的广泛可用的产品。除了在假肢中的应用外,人与机器之间的永久接口为科学研究提供了新的机会,以研究人体肌肉和神经系统的工作方式。


参考资料:
https://www.eurekalert.org/multimedia/emb/230165.php
https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa1917537?query=featured_home

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