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新技术让义肢更像“原装货”

日期: 2016-02-02
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新技术让义肢更像“原装货”

                                        来源:中国科学报   

    原标题:新技术让义肢更像“原装货”更有效的神经刺激和肌肉监控可极大改善性能

在义肢的指尖安装压力传感器使佩戴者能够产生更轻的触觉

在过去的半个世纪中,义肢并没有得到太多的发展。它们的外观和结构有所改善,但潜在的功能和控制效果却一直举步维艰。

如今,在发表于《科学—转化医学》杂志的两项研究中,研究人员报告说他们分别在两个领域取得了重要进展:用真实的触觉反馈指导义肢以及传送可靠的电机指令。

美国盖恩斯维尔市佛罗里达大学生物医学工程师Kevin Otto表示:“它们解决了目前义肢所面临的巨大局限性。”

现代义肢往往由记录佩戴者肌肉运动的电子信号所驱动,并尝试着提供基本的感官反馈。当义肢以某种方式进行触摸时,研究人员一直试图通过相同电脉冲的定期序列刺激佩戴者剩余的神经以取代失去的触觉。然而佩戴者经常报告说用来指导其义肢的反馈有时会嗡嗡作响或引起刺痛感。同时据许多佩戴者反映,长期使用义肢时,这种不自然的感觉会让人分心甚至产生不快。

俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学神经工程师Dustin Tyler及其同事,通过传递能够随着时间的流逝而产生强度变化的模式化的脉冲序列,从而在两名试验参与者中取得了更好的结果。Tyler说:“它将这种刺痛感转变为自然压力。”

研究人员为受试者配备了具有压力传感器的人造指尖,这种传感器能够将信号转化为模拟一名健康人正常感受的电刺激模式。不同的刺激模式引起了不同的感觉,包括轻拍、持续的压力和光线、移动的触觉。

为了搞清这些感觉是否能够用来更好地控制义肢,Tyler要求受试者尝试拿起一些樱桃。通常情况下,手截肢者很难完成这样的任务——由于没有触觉反馈,他们要么抓得太紧、要么抓得太松。没有触觉,受试者在这项试验中只能设法成功抓起77%的樱桃。而有了触觉反馈,他们的成功率蹿升至100%

洛杉矶南加利福尼亚大学生物医学工程师Gerald Loeb表示:“这是一个重要的进展。”但他表示Tyler当前的设计“在长期的临床应用中可能太危险了”。

为了将神经与刺激器连接起来,义肢佩戴者必须在他们的上臂中移植电极,并通过皮肤产生连接,而这种做法会导致移植部位的皮肤发生感染或损坏电极。而这两项研究的受试者已经让移植物在体内停留了2年,同时Tyler表示他的研究小组正在设法将刺激器的体积缩小,从而有朝一日能够将其完全植入皮肤下面——就像心脏起搏器一样。

在第二篇论文中,瑞典哥德堡查莫斯技术大学生物医学工程师Max Ortiz Catalan及其同事报告说,他们改进了选择和传送电机指令的方式。

传统的义肢系统通过记录肌肉活动解码佩戴者的意图。由于肌肉和传感器之间的组织和皮肤往往会扭曲电极信号,因此非侵入性的方法会削弱义肢的可控制性。根据皮肤的温度和水分,外部电极有时会表现失常甚至失效。

为了直接获得肌肉信号,Ortiz Catalan的研究小组利用一个钛连接器将系统整体集合在佩戴者的骨骼中。骨骼组织在螺钉周围生长完好,而与传统的插口设计(使义肢有一个类似吊索的装置)相比,新系统具有更强的稳定性以及更大的活动范围。

在这项研究中,Ortiz Catalan的研究小组将记录电极穿过连接器接入骨骼,随后将它们直接移植入肌肉,并最终使义肢活动。Kevin Otto表示:“这解决了一个大问题。”肌肉电极之前仅在动物研究和短期人类试验中使用过。

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