手術(shù)技術(shù)改善人工肢體的感覺和控制

即使閉著眼睛，人類也可以準(zhǔn)確地感知肢體的位置，速度和扭矩。這種被稱為本體感覺的感覺允許人類精確控制他們的身體運(yùn)動(dòng)。盡管近年來假肢裝置有了顯著改進(jìn)，但研究人員無法為假肢患者提供這種基本感覺，限制了他們精確控制動(dòng)作的能力。麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室極端仿生學(xué)中心的研究人員發(fā)明了一種新的神經(jīng)接口和通信范例，能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)命令從中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送到機(jī)器人假體，并將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的本體感受反饋轉(zhuǎn)發(fā)回到機(jī)器人假體。中樞神經(jīng)系統(tǒng)作為回報(bào)。

這種被稱為激動(dòng)劑 - 拮抗劑神經(jīng)界面的新范例涉及肢體截肢的新型手術(shù)方法，其中動(dòng)態(tài)肌肉關(guān)系保留在截肢中。AMI在麻省理工學(xué)院進(jìn)行了廣泛的臨床前實(shí)驗(yàn)，并在Brigham和Women's Faulkner醫(yī)院的人類患者首次手術(shù)實(shí)施之前得到了驗(yàn)證。

在今天發(fā)表在“科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)”雜志上的一篇論文中，研究人員描述了在膝下截肢患者中第一個(gè)人類實(shí)施激動(dòng)劑 - 拮抗劑神經(jīng)界面(AMI)。

根據(jù)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室媒體藝術(shù)與科學(xué)教授Hugh Herr的資深作者和項(xiàng)目主任Hugh Herr的說法，這篇論文首次表明關(guān)節(jié)位置，速度和扭矩的信息已從假肢進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)。

“我們的目標(biāo)是關(guān)閉周圍神經(jīng)系統(tǒng)的肌肉和神經(jīng)以及仿生附肢之間的環(huán)路，”赫爾說。

為此，研究人員使用相同的生物傳感器來創(chuàng)造身體的自然本體感受。

AMI由兩個(gè)相反的肌腱組成，稱為激動(dòng)劑和拮抗劑，它們通過手術(shù)連接成串聯(lián)，這樣當(dāng)一個(gè)肌肉收縮和縮短時(shí) - 無論是意志激活還是電激活 - 另一個(gè)伸展，反之亦然。

這種耦合運(yùn)動(dòng)使肌腱內(nèi)的自然生物傳感器能夠?qū)㈦娦盘?hào)傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，傳遞肌肉長(zhǎng)度，速度和力信息，這被大腦解釋為天然關(guān)節(jié)本體感受。

Herr說，這就是肌腱本體感覺在人體關(guān)節(jié)中自然起作用的方式。

“因?yàn)榧∪饩哂刑烊坏纳窠?jīng)供應(yīng)，當(dāng)這種激動(dòng)劑 - 拮抗劑肌肉運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，信息通過神經(jīng)傳遞到大腦，使人能夠感覺到這些肌肉的運(yùn)動(dòng)，包括它們的位置，速度和負(fù)荷，”他說。

通過將AMI與電極連接，研究人員可以檢測(cè)肌肉的電脈沖，或者向肌肉施加電力使其收縮。

“當(dāng)一個(gè)人正在考慮移動(dòng)他們的幻影腳踝時(shí)，映射到該仿生腳踝的AMI來回移動(dòng)，通過神經(jīng)向大腦發(fā)送信號(hào)，使截肢者真正感覺到他們的仿生腳踝在整個(gè)過程中移動(dòng)整個(gè)角度范圍，“赫爾說。

根據(jù)該論文的第一作者和該項(xiàng)目的研究生負(fù)責(zé)人泰勒克萊特斯(Tyler Clites)的說法，解讀神經(jīng)中本體感受的電子語言是非常困難的。

“使用這種方法，而不是自己說電子語言，我們使用這些生物傳感器為我們說這種語言，”Clites說。“這些傳感器將機(jī)械拉伸轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可被大腦解釋為位置，速度和力的感覺。”

AMI首先由波士頓布萊根婦女福克納醫(yī)院的一名人類患者手術(shù)實(shí)施，該論文的作者之一，塑料和重建外科部門的外科醫(yī)生，以及麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家Matthew Carty。

在該手術(shù)中，在膝關(guān)節(jié)以下截肢時(shí)在殘肢中構(gòu)建了兩個(gè)AMI，其中一個(gè)AMI用于控制假肢踝關(guān)節(jié)，另一個(gè)用于控制假肢距下關(guān)節(jié)。

“我們知道，為了讓我們驗(yàn)證這種截肢新方法的成功，我們需要將手術(shù)與一種新型假體結(jié)合起來，這種假肢可以利用這種新型殘肢的附加功能，”Carty說。“協(xié)作至關(guān)重要，因?yàn)槌绦虻脑O(shè)計(jì)為機(jī)器人肢體的設(shè)計(jì)提供了信息，反之亦然。”

為此，在麻省理工學(xué)院建造了一個(gè)先進(jìn)的假肢，并在截肢手術(shù)后使用放置在每個(gè)AMI肌肉上的電極與患者的周圍神經(jīng)系統(tǒng)電連接。

然后，研究人員將AMI患者的運(yùn)動(dòng)與使用相同的高級(jí)假肢進(jìn)行傳統(tǒng)膝下截肢手術(shù)的四個(gè)人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了比較。

他們發(fā)現(xiàn)，AMI患者對(duì)假肢裝置的運(yùn)動(dòng)具有更穩(wěn)定的控制，并且能夠比傳統(tǒng)截肢術(shù)更有效地移動(dòng)。他們還發(fā)現(xiàn)AMI患者很快就表現(xiàn)出自然的反身行為，例如當(dāng)走下一組樓梯時(shí)將腳趾伸向下一步。

這些行為對(duì)于自然人類運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要，并且在所有經(jīng)歷過傳統(tǒng)截肢的人中都不存在。

在患者的殘肢中通過外科手術(shù)創(chuàng)建了兩個(gè)激動(dòng)劑 - 拮抗劑神經(jīng)接觸裝置(AMI)：一個(gè)與機(jī)器人踝關(guān)節(jié)電連接，另一個(gè)與機(jī)器人距下關(guān)節(jié)電連接。NeuroscienceNews.com圖片歸功于MIT Media Lab / Biomechatronics group。Stephanie Ku的原創(chuàng)藝術(shù)品。

更重要的是，雖然常規(guī)截肢的患者感到與假體脫節(jié)，AMI患者迅速描述了仿生踝和足已成為他們自己身體的一部分的感覺。

“這是非常重要的證據(jù)，證明這名患者的大腦和脊髓采用了假肢，好像它們的生物肢體一樣，使這些生物通路再次變得活躍，”Clites說。“我們認(rèn)為本體感受是這種采用的基礎(chǔ)。”

佛羅里達(dá)大學(xué)的Robert W. Adenbaum工程創(chuàng)新教授丹尼爾·費(fèi)里斯(Daniel Ferris)表示，對(duì)于肢體截肢的人來說，很難通過他們的假肢來獲得一種體現(xiàn)感，他沒有參與這項(xiàng)研究。

“這是開創(chuàng)性的。被截肢患者增加的體現(xiàn)感是對(duì)仿生肢更好控制和反饋的有力結(jié)果，“Ferris說。“我希望我們會(huì)看到有創(chuàng)傷性截肢的人開始尋找這種類型的手術(shù)和假肢接口 - 它可以為截肢者提供更高質(zhì)量的生活。”

此后，研究人員對(duì)另外9名膝下截肢患者進(jìn)行了AMI手術(shù)，并計(jì)劃對(duì)需要膝上，肘下和肘上截肢術(shù)的患者采用該技術(shù)。

“以前，人類已經(jīng)以類似工具的方式使用技術(shù)，”赫爾說。“我們現(xiàn)在開始看到人機(jī)交互的新時(shí)代，完全神經(jīng)學(xué)的體現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的內(nèi)容真正成為我們的一部分，是我們身份的一部分。”