思维控制仿生假肢


  昨天,在位于华盛顿的美国进步科学协会(American Association for the Advancement of Science)的年会上,托德·库依肯(Todd Kuiken)博士展示了他的最新研究进展:他为一名在伊战战场上失去手臂的退伍士兵装上了可用思维控制的仿生手臂。

  库依肯是芝加哥复原研究所(Amputee Services at The Rehabilitation Institute of Chicago)仿生医学及截肢服务部门的主任,自2002年开始,他就致力于为截肢患者开发可替代的设备。目前在全世界范围内,已有50多名因战争失去四肢的退役军人采用了他的研发技术。

  截肢手术让病人失去肌肉与骨头,但病人伤口处可供大脑控制的神经连接依然存在。因此,这项叫做目标肌肉神经移植术(argeted Muscle Reinnrvation,TMR)的技术,目标是重新编路来自神经的大脑信号,从而控制伤口处的肌肉。库依肯的解释是:“我们运用那些留下来的神经,而肌肉就是生物放大器。”

  库依肯的团队将控制肢体的手臂神经置于剩余肌肉上——通常为胸肌——并切断胸肌里的神经,植入那些控制肢体的神经,让它们逐渐和胸肌长成一片。例如,病人脑子里想到“把手合拢”,这个指令就会从大脑通过控制手合拢的神经沿脊椎向下传递,接下来部分胸肌开始收缩。当胸肌收缩发送电子传导信号,植入胸肌的神经接受信号,假肢上的接收器就会收到指令,让手合拢。通常,这样的手术仅需几个小时,但是病人需经历3个月才能感觉到首次抽动,半年后神经和肌肉才能真正移植成为一只特殊的手臂。

  库依肯介绍说,传统的假肢只能让手打开或者关闭,或者让肘部、手腕转动,无法同时使用,有时还会混淆。而他的新技术让患者能更自然的同时使用手和肘。装上假肢的退伍士兵格伦·雷曼(Glen Lehman)表示,比起其他用肌肉脉冲控制的假肢,这支新假肢用起来更像自己的手臂一样,具有直觉控制性。他展示了各种动作,如将大拇指和其他指头捏在一起,举起前臂,弯曲肘部,控制手腕转动,这一切都是靠思维完成。

  近年来,库依肯的实验小组努力寻求提高感应度的方法,目标是让患者具备感觉的反馈。例如,如果假肢上的感应器探测到患者挤压手部的力度,这条感觉信息能够通过手臂回传到相应的皮肤上,也就是胸肌皮肤上,以一定比例的力度呈现。另外,他们也希望能将该技术沿用到腿部的假肢开发上,尽管这更新颖、更具挑战性。