密歇根大学的研究人员这次研发了一个最像真手的假肢,为截肢者在控制假肢方面取得了重大进展,他们从手臂神经中提取出微弱的潜在信号,并将其放大,从而实现对机器人手的实时、直观、手指级的控制。

为了实现这一目标,研究人员开发了一种方法来驯服气质性神经末梢,将粗大的神经束分成较小的纤维,以实现更精确的控制,并放大通过这些神经传递的信号。该方法涉及从脑机接口领域借用的微小肌肉移植的机器学习算法。

“这是多年来截肢患者在运动控制方面的最大进步。”密歇根大学医学院整形外科罗伯特·奥奈尔学院教授、生物医学工程教授保罗·塞德纳说。“我们已经开发出一种技术,可以使用患者残肢中的神经来提供对假肢单个手指的控制。有了它,我们就能够提供世界上最先进的假肢控制。”

Cederna与密歇根大学工程学院生物医学工程副教授Cindy Chestek共同领导这项研究。在3月4日发表在《科学转化医学》上的一篇论文中,他们描述了四名研究参与者使用Mobius仿生学LUKE手臂的结果。

直观的假肢控制在第一次尝试时起作用

“你可以让义肢做很多事情,但这并不意味着这个人可以直观地控制它。不同的是,仅通过思考就可以在第一次尝试中起作用,这就是我们的方法所提供的,” Chestek说。“这是我们第一次尝试。参与者没有学习的机会。所有的学习都发生在我们的算法中。这与其他方法不同。”

虽然研究参与者还不能把手臂带回家,但在实验室里,他们能够用钳子抓起积木;连续移动拇指,而不必选择两个位置;举起球形物体;甚至可以玩一种叫做石头、纸、钳子的石头、纸、剪刀。2013年,在一次烟花事故中失去手臂的研究参与者乔汉密尔顿(Joe Hamilton)说:“这就像你又有了一只手。”。“你几乎可以用那只手做任何你能做的事。它使你恢复正常感。”

将微小的肌肉移植物变成神经信号放大器

心智控制假肢的最大障碍之一是利用强大而稳定的神经信号来喂养仿生肢体。一些在脑机接口领域工作的研究小组一直致力于研究大脑的主要来源。当与瘫痪的人一起工作时,这是必要的。但它具有侵袭性和高风险性。

对于截肢患者来说,周围神经(从大脑和脊髓散开的网络)一直很丰富,但是它们携带的神经信号很小。而其他获取这些信号的方法则涉及到被强行窃听的探测器。正如研究人员有时提到的那样,这些“神经上的钉子”会导致疤痕组织,随着时间的流逝,这些疤痕组织会混淆已经微弱的信号。

UM团队提出了一种更好的方法。他们将微小的肌肉移植物包裹在参与者手臂的神经末梢周围。这些“再生性周围神经接口”或RPNI,为切断的神经提供了新的组织。这样可以防止称为神经瘤的神经肿块的生长,从而导致幻肢疼痛。给神经一个扩声器,肌肉移植放大了神经信号。两名患者在其肌肉移植物中植入了电极,电极能够记录这些神经信号并将其实时传递给假肢。

据研究人员道,与以前的所有结果相比,他们看到了神经记录的最大电压。在以前的方法中,可能会得到5微伏或50微伏非常小的信号。但现在已经看到了第一个毫伏信号。放大信号后,可以访问单个拇指运动,多个自由度拇指运动,单个手指相关的信号。这为上肢假肢使用者打开了一个全新的世界。

假肢研究和工业的未来

切斯特克说,这些发现也为该领域开辟了新的可能性。他的专长是实时机器学习算法,可以将神经信号转化为运动意图。这种方法产生的信号可以让假肢做出的动作更精细。

研究团队正在进行临床试验,也在寻找参与者一起进行这项研究。并且希望实验研究能增加领域的新知识,并且造福于社会。今天能看到一个带假肢的人所做的事情都是10年前无法想象的。切斯特克补充说:“这个研究将是一个可行的方法,但是直到能让患者完全恢复健壮的手部动作,我们才会停止研究。这是神经修复的梦想。”