仿生膝盖:组织融合技术重塑截肢者自然运动能力
在麻省理工学院(MIT)的最新研究中,一种新型仿生膝盖的开发为膝盖以上截肢患者带来了福音。这项创新技术不仅帮助他们更快地行走、更轻松地爬楼梯,还能更自如地避开障碍物,超越了传统假肢的局限。与传统的插座式假肢不同,这种新型系统直接与用户的肌肉和骨骼组织融合,实现了更高的稳定性和对假肢运动的更强控制。
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一项小型临床研究显示,参与者在使用这种假肢时,行动更加便捷,并且感觉肢体更像是自己身体的一部分。麻省理工学院媒体艺术与科学教授、K. Lisa Yang仿生中心联合主任、麦戈文脑研究所副研究员休·赫尔指出:“组织融合的假肢,通过骨骼锚定并由神经系统直接控制,不仅仅是一个没有生命的独立设备,而是一个与人体生理 тщательно 整合的系统,提供了更高水平的假肢实体感。它不仅仅是人类使用的工具,而是自我不可或缺的一部分。”
这项研究的主要作者是托尼·舒博士,他的论文已发表在《科学》杂志上。
更佳的控制
近年来,赫尔的实验室致力于开发新型假肢,从截肢后残留的肌肉中提取神经信息,并利用这些信息来引导假肢的运动。
传统的截肢手术通常会切断成对的肌肉,这些肌肉原本交替伸展和收缩,从而破坏了肌肉正常的激动-拮抗关系。这种破坏使得神经系统很难感知肌肉的位置以及收缩的速度。
通过赫尔及其同事开发的新型外科方法,即激动-拮抗肌神经接口(AMI),肌肉对在手术中重新连接,从而在残肢内保持动态通信。这种感觉反馈帮助假肢佩戴者决定如何移动肢体,并产生可用于控制假肢的电信号。
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在2024年的一项研究中,研究人员表明,接受AMI手术的膝盖以下截肢患者比接受传统膝盖以下截肢的患者行走得更快,并且能够更自然地避开障碍物。在新研究中,研究人员扩展了该方法,以便更好地服务于膝盖以上截肢患者。他们希望创建一个系统,不仅可以使用AMI读取肌肉信号,还可以集成到骨骼中,从而提供更高的稳定性和更好的感觉反馈。
为了实现这一目标,研究人员开发了一种将钛棒插入截肢部位残留股骨中的程序。与传统假肢相比,这种植入物可以提供更好的机械控制和承重能力。此外,该植入物包含16根导线,用于收集来自体内AMI肌肉上电极的信息,从而可以更准确地转换来自肌肉的信号。
这种骨骼集成系统,称为e-OPRA,将AMI信号传输到专门为本研究开发的新型机器人控制器。控制器使用这些信息来计算移动假肢所需的扭矩,以满足用户的需求。
舒解释说:“所有部件协同工作,以更好地将信息传入和传出身体,并更好地与设备进行机械连接。我们直接加载骨骼,这是身体应该加载的部分,而不是使用插座,这既不舒服又可能导致频繁的皮肤感染。”
在这项研究中,两名受试者接受了AMI和e-OPRA的组合系统,称为骨整合机械神经假肢(OMP)。这些用户与八名接受了AMI手术但未接受e-OPRA植入的患者以及七名未接受AMI或e-OPRA的患者进行了比较。所有受试者都轮流使用该实验室开发的实验性动力膝关节假肢。
研究人员测量了参与者执行多种类型任务的能力,包括将膝盖弯曲到指定角度、爬楼梯和跨越障碍物。在大多数这些任务中,使用OMP系统的用户比接受AMI手术但未接受e-OPRA植入的受试者表现更好,并且比传统假肢的用户表现 훨씬 更胜一筹。
范德比尔特大学机械工程教授兼智能机电一体化中心主任迈克尔·戈德法布评论说:“这篇论文代表了科学界长期以来的愿景的实现——完全生理整合、随意控制的机器人腿的实施和演示。这是一项非常困难的工作,作者在实现如此具有挑战性的目标方面值得高度赞扬。”
实体感
除了测试步态和其他运动外,研究人员还提出了一些问题,旨在评估参与者的实体感——也就是说,他们的假肢在多大程度上感觉像是自己身体的一部分。
问题包括患者是否感觉自己有两条腿,是否感觉假肢是身体的一部分,以及是否感觉可以控制假肢。每个问题旨在评估参与者的能动性、设备所有权和身体表征。
研究人员发现,随着研究的进行,OMP的两名参与者在能动性和所有权方面的感受 гораздо 增强,超过了其他受试者。
赫尔补充说:“这篇论文的另一个重要意义在于,它研究了这些实体感问题,并显示出这种感觉的 значительно 改善。无论你将机器人假肢的人工智能系统做得多么复杂,对于用户来说,它仍然感觉像是一个工具,就像一个外部设备。但是,通过这种组织整合的方法,当你询问人类用户什么是他们的身体时,整合得越多,他们就越会说假肢实际上是自我的一部分。”
目前,AMI手术已在布莱根妇女医院对膝盖以下截肢患者进行常规手术,赫尔预计它也将很快成为膝盖以上截肢的标准手术。OMP组合系统需要更大的临床试验才能获得FDA批准用于商业用途,赫尔预计这可能需要大约五年时间。
该研究由杨坦集体和DARPA资助。