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大脑控制的假肢可以“感知”

大脑控制的假肢可以“感知”

这是第一次,手臂截肢的人可以在他们日常生活中使用的精神控制假肢中体验触觉。《新英格兰医学杂志》(the New England Journal of Medicine)上的一项研究报告了三名瑞典患者,他们使用这项新技术生活了好几年,这是世界上人类与机器之间最集成的接口之一。

这一进展是独特的:患者在日常生活中使用意念控制假肢长达七年之久。在过去的几年里,他们也有了一个新的功能——假肢手的触觉。这是假肢的一个新概念,被称为神经肌肉骨骼假体,因为它们与使用者的神经、肌肉和骨骼相连。

这项研究是由查尔默斯理工大学的副教授Max Ortiz Catalan与瑞典哥德堡大学的Sahlgrenska大学医院和Integrum AB合作进行的。奥地利维也纳医科大学(Medical University of Vienna)和美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的研究人员也参与了研究。

“我们的研究表明,与传统的假肢手相比,附着在骨骼上、由植入神经和肌肉的电极控制的假肢手的操作要精确得多。”我们进一步改进了假肢的使用,通过整合患者用来调节抓取或挤压物体难度的触觉感觉反馈。随着时间的推移,患者辨别感觉强度的细微变化的能力已经得到了改善,”Max Ortiz Catalan说。

大脑控制的假肢可以“感知”

“这项研究最重要的贡献是证明了这种新型假肢在临床上是可行的,可以替代失去的手臂。”无论神经接口变得多么复杂,它只有在患者和假肢之间的连接长期安全可靠的情况下才能给患者带来真正的好处。我们的研究结果是多年研究的成果,现在我们终于可以制造出第一个可以通过植入电极进行可靠控制的仿生手臂假肢,同时还可以在日常生活中向用户传递感觉,”Max Ortiz Catalan继续说道。

自从接受了他们的义肢,病人每天都在他们所有的专业和个人活动中使用它们。

神经肌肉骨骼假体的新概念是独特的,因为它提供了几个不同的功能,这在世界上其他任何假肢技术中都没有出现过:

它与人的神经、肌肉和骨骼有直接的联系。它是由大脑控制的,并传递感觉,被用户认为是来自失踪的手。它是独立的;所有需要的电子设备都包含在假肢里,所以病人不需要携带额外的设备或电池。长期安全稳定;这项技术在患者的日常活动中没有受到干扰,没有研究人员的监督,也不局限于有限或受控的环境中。

这项技术的最新特点是触觉,它可以通过刺激曾经与生物手相连的神经来实现。位于假肢拇指上的力传感器测量抓取时施加在物体上的接触和压力。这些信息被传输到病人的神经,然后到达他们的大脑。因此,患者可以感觉到当他们触摸一个物体时,它的特征,以及他们按它的力度,这对于模仿生物手是至关重要的。

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“目前,传感器并不是恢复知觉的障碍,”Max Ortiz Catalan说。“我们面临的挑战是创造出一种能够将大量人工收集的信息无缝传输到神经系统的神经接口,让用户能够自然、轻松地体验到感觉。”

这项新技术的植入是在萨尔格伦斯卡大学医院进行的,由里卡德·布兰马克教授和保罗·萨苏医生领导。全世界有一百多万人遭受肢体丧失之苦,研究小组与Integrum AB公司合作的最终目标是开发一种广泛使用的产品,尽可能多地满足这些人的需要。

Max Ortiz Catalan说:“现在,瑞典的患者正在参与这项用于手臂截肢的新假肢技术的临床验证。”“我们预计该系统将在几年内在瑞典以外的地方投入使用,我们在类似的假肢技术上也取得了相当大的进展,我们计划在今年晚些时候为第一个病人植入假肢。”

更多关于:技术如何工作:

手臂假体的植入系统称为e-OPRA,基于Integrum AB公司开发的OPRA植入系统。植入系统通过骨整合(osseo = bone)将假体固定在截肢残肢的骨骼上。电极被植入截肢残肢内的肌肉和神经,而e-OPRA系统在假肢和大脑之间双向发送信号,就像生物手臂一样。

假肢是由大脑控制的,通过电肌肉和神经信号发送到手臂残端,然后由电极捕捉。这些信号被传递到植入物中,植入物穿过皮肤并连接到假体上。然后由研究人员开发的嵌入式控制系统来解释这些信号。该控制系统足够小,可以安装在假肢内,它使用复杂的人工智能算法处理信号,从而产生假肢手运动的控制信号。

触觉来自假肢拇指上的力传感器。来自传感器的信号被假肢中的控制系统转换成电信号,并被发送到手臂残端刺激神经。神经连接到大脑,大脑感知到手的压力水平。

这种神经肌肉骨骼植入物可以连接到任何市面上可以买到的假肢上,让它们更有效地工作。

更多关于:如何体验人工感觉:

失去一只胳膊或一条腿的人经常会有幻肢的感觉,就好像失去的身体部分虽然没有实际存在,但仍然存在。当假肢拇指上的力传感器发生反应时,研究中的患者感觉这种感觉来自他们的幻手。根据残肢的哪条神经接收信号,不同病人幻肢手的位置也有所不同。最低的压力相当于用铅笔尖触碰皮肤。随着压力的增加,这种感觉会越来越强烈,越来越“刺激”。

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