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美国学者用大脑信号控制机器假肢 截肢者更自如(图)

新闻来源: 智东西 于2021-04-25 13:28:19  提示:新闻观点不代表本网立场



编译 | 屈望苗

编辑 | 江心白

国际知名学术期刊IEEE Spectrum于美国东部时间4月23日刊登了一项研究成果,美国北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)的研究团队发现,截肢者可以通过腿部传感器解析大脑发出的生物电信号,来控制机器假肢。

而且经过训练,患者还能进行更好的姿态控制,实现更稳定地站立并完成复杂动作。

这一研究成果已于美国东部时间4月12日发表在《可穿戴技术(Wearable Technologies)》期刊上,文章题目为《直接连续肌电控制的动力假肢踝关节改善姿势控制后指导体育训练:案例研究(Direct continuous electromyographic control of a powered prosthetic ankle for improved postural control after guided physical training: A case study)》。



文章链接:
http://www.cambridge.org/core/journals/wearable-technologies/article/direct-continuous-electromyographic-control-of-a-powered-prosthetic-ankle-for-improved-postural-control-after-guided-physical-training-a-case-study/B97FE01247EFB1B98C8D7396DAF8F60C?

一、传感器检测肌肉电信号,驱动机器假肢

世界各地有很多的研究团队都在开发下肢外骨骼,也就是机器假肢。这些设备本质上就是能行走的机器人,它们可以自动执行预先编程的循环运动。患者将机器假肢绑在腿上,就可以走动。

如果患者要进行走路之外的复杂活动,理想情况下,他们应该能通过思想控制这些机器假肢,例如,研究人员可以利用附着在腿部的传感器,检测从患者大脑发送到肌肉的生物电信号,生成直接、连续肌电图(direct, continuous electromyographic,dEMG)并以此驱动机器假肢。



传感器检测到的生物电信号,驱动机器假肢

北卡罗莱纳州立大学生物医学工程师、该研究的作者之一海伦·黄(Helen Huang)说:“机器假肢的自主控制能很好地实现它的行走功能,但如果涉及复杂一些的运动,比如打网球或跳舞,这个过程最好是由人的神经来控制。”

不过,要让截肢者对机器假肢进行神经控制,截肢者的神经系统能不能很好地控制残留的肌肉,还是一个问题。

“经过截肢手术后,肌肉的原始结构发生了改变,”黄说,“我们发现,患者可以激活这些残留的肌肉,但它们收缩的方式与健全者的腿部肌肉不同,所以患者需要训练如何使用这些肌肉。”

二、患者经训练可以稳定、协调地运动

在这项研究中,黄的团队让一名截肢者佩戴机器假肢,并在理疗师的指导下完成神经控制动力假肢踝关节训练,这些训练对于普通的假肢来说是很有挑战性的。在训练中,机器假肢接收来自两块小腿肌肉的生物电信号,这两块肌肉控制的是踝关节的运动。



患者通过神经控制机器假肢的原理图

研究中这位57岁的志愿者失去了左腿膝盖到脚踝中间的部分。在为期两周半的疗程中,他接受了五次训练,每次时长约两小时。

北卡罗莱纳州立大学生物医学工程师、该研究的第一作者亚伦·弗莱明(Aaron Fleming)说,训练中,理疗师帮助反馈志愿者的踝关节正在做什么样的运动,在他们的帮助下,志愿者“首先实现关节的运动,然后再是全身运动和全身协调”。

经过训练,该志愿者可以完成许多以前很难做到的动作。比如说,在没有任何外力帮助的情况下从坐姿站起来,或者不借助身体其他部位的力量,下蹲并从地上捡起某样东西。

从研究结果来看,该志愿者站立和移动时的稳定性得到了很大改善。其实,佩戴机器假肢的患者往往很难站得稳,因为机器很难预测外界的扰动,也不会预测人体可能会如何应对这些扰动,所以往往无法做出姿态的调整。

在弗莱明看来,经过训练,佩戴机器假肢的患者“站立时的稳定性和姿势细节的控制非常令人惊讶”。

结语:站稳“脚”之后,研究“脑”

通过“意念”来控制机器已不再是陌生的话题,弗莱明的研究团队在这一领域中实现了更精确、更稳定的控制,让截肢者能够站得住、走得稳,并且完成健全人能轻松做到的动作。

不过,研究人员并未止步于此。他们现在的目标是对更多佩戴机器假肢的患者进行检查,并尝试让他们完成更复杂的动作,比如规避障碍物等。根据黄的说法,他们还想进一步研究,在训练中,这些患者的神经系统“恢复了原来的神经通路吗”?
网编:和评

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