21 7 月, 2024

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研究人员正在为腿部截肢者开发一种大脑控制的假肢

一项新的研究表明,双腿截肢的人可以用大脑控制假肢,这是一项重大科学进步,可以使行走更加顺畅,并提高克服障碍的能力。 斯塔迪 该研究周一发表在《自然医学》杂志上。

通过在人类神经系统和假腿之间建立联系,K.C. 的研究人员麻省理工学院和布莱根妇女医院的丽莎·杨 (Lisa Yang) 的生物信息学引领了下一代假肢的发展方向。

该研究的第一作者、麻省理工学院的博士后研究员 Hyungyun Song 表示:“我们首次展示了人工步行的完整神经控制。”

大多数现代假肢依赖于预先编程的机器人命令,而不是用户的大脑信号。 先进的机器人技术可以感知环境并反复激活预定的腿部运动,以帮助人们穿越这种地形。

但这些机器人中的许多在平坦的地面上工作效果最好,并且难以克服常见的障碍物,例如颠簸或水坑。 一旦假肢移动,佩戴假肢的人往往没有发言权来调整假肢,尤其是在应对地形的突然变化时。

“当我走路时,感觉就像有人在遛我,因为算法正在向电机发送命令,而我不是那样的”。 几年前,哈尔因冻伤双腿膝盖以下被截肢,并使用了先进的机器人假肢。

“有越来越多的证据表明 [showing] “当你将大脑连接到机电假体时,就会出现具体化,个人将假体视为身体的自然延伸,”黑尔补充道。

作者与 14 名研究参与者合作,其中一半通过称为拮抗肌神经界面 (AMI) 的方法接受了膝下截肢,而另一半则接受了传统截肢。

哈佛大学工程与应用科学学院教授康纳·沃尔什 (Connor Walsh) 表示:“这很酷,因为它如何利用外科创新和技术创新。”他专门从事可穿戴辅助机器人的开发,但没有参与这项研究。

AMI 截肢术的开发是为了解决传统腿部截肢手术的局限性,传统腿部截肢手术会切断截肢部位的重要肌肉连接。

运动是通过肌肉成对工作的方式实现的。 一块肌肉(称为兴奋肌)收缩以移动肢体,另一块肌肉(称为拮抗肌)则相应地伸长。 例如,在二头肌弯举练习中,二头肌是触发肌,因为它收缩以抬起前臂,而三头肌是拮抗肌,因为它伸长以实现运动。

当手术截肢导致肌肉对被切断时,患者术后感觉肌肉收缩的能力会受到影响,这会对他准确、良好地感知假肢在空间中位置的能力产生负面影响。

相比之下,AMI 重新连接残肢中的肌肉,以复制人从完整肢体获得的有价值的肌肉反馈。

未参与这项研究的华盛顿大学机械工程助理教授埃里克·隆布卡斯 (Eric Rombukas) 表示,这项研究是“下一代假肢技术运动的一部分,该技术旨在解决感觉而不仅仅是运动问题”。

膝下截肢的 AMI 手术以 彼得·尤因 继吉姆·尤因 (Jim Ewing) 于 2016 年成为第一个接受手术的人之后。

接受尤文截肢术的患者残肢的肌肉萎缩较少,幻痛也较少,即肢体不再存在的不适感。

研究人员为所有参与者安装了新的假肢,其中包括人工脚踝、测量肌肉运动电活动的装置和放置在皮肤表面的电极。

大脑向肌肉发送电脉冲,导致肌肉收缩。 收缩会产生自己的电信号,这些电信号被电极检测到并发送到连接到假肢的小型计算机。 然后计算机将这些电信号转换为假肢的力和运动。

研究参与者艾米·皮特拉维塔 (Amy Pietravita) 在遭受严重烧伤后接受了尤因截肢手术,她说,假肢让她能够再次指向双脚并表演舞蹈动作。

“能够拥有这种曲率使其更加真实,感觉一切都在那里,”皮特拉菲塔说。

由于肌肉感觉得到改善,接受尤因截肢的参与者能够使用假肢比接受传统截肢的参与者走得更快、更自然。

当一个人不得不偏离正常的行走模式时,他们通常必须更加努力地走动。

“这种能量消耗……导致我们的心脏更加努力地工作,我们的肺部更加努力地工作……并可能导致髋关节或下脊柱的逐渐破坏。

接受尤因截肢和新假肢的患者也能够轻松地爬上斜坡和楼梯。 他们能够平稳地调整双脚以推动自己上楼梯并在下楼梯时吸收震动。

研究人员希望新型假肢能够在未来五年内投入商业使用。

黑尔说:“我们开始看到这个美好的未来,一个人可能会失去身体的很大一部分,但有技术可以重建身体的这一部分,使其发挥全部功能。”

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