手術技術改善人工肢體的感覺和控制

即使閉著眼睛，人類也可以準確地感知肢體的位置，速度和扭矩。這種被稱為本體感覺的感覺允許人類精確控制他們的身體運動。盡管近年來假肢裝置有了顯著改進，但研究人員無法為假肢患者提供這種基本感覺，限制了他們精確控制動作的能力。麻省理工學院媒體實驗室極端仿生學中心的研究人員發(fā)明了一種新的神經(jīng)接口和通信范例，能夠將運動命令從中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送到機器人假體，并將關節(jié)運動的本體感受反饋轉發(fā)回到機器人假體。中樞神經(jīng)系統(tǒng)作為回報。

這種被稱為激動劑 - 拮抗劑神經(jīng)界面的新范例涉及肢體截肢的新型手術方法，其中動態(tài)肌肉關系保留在截肢中。AMI在麻省理工學院進行了廣泛的臨床前實驗，并在Brigham和Women's Faulkner醫(yī)院的人類患者首次手術實施之前得到了驗證。

在今天發(fā)表在“科學轉化醫(yī)學”雜志上的一篇論文中，研究人員描述了在膝下截肢患者中第一個人類實施激動劑 - 拮抗劑神經(jīng)界面(AMI)。

根據(jù)麻省理工學院媒體實驗室媒體藝術與科學教授Hugh Herr的資深作者和項目主任Hugh Herr的說法，這篇論文首次表明關節(jié)位置，速度和扭矩的信息已從假肢進入神經(jīng)系統(tǒng)。

“我們的目標是關閉周圍神經(jīng)系統(tǒng)的肌肉和神經(jīng)以及仿生附肢之間的環(huán)路，”赫爾說。

為此，研究人員使用相同的生物傳感器來創(chuàng)造身體的自然本體感受。

AMI由兩個相反的肌腱組成，稱為激動劑和拮抗劑，它們通過手術連接成串聯(lián)，這樣當一個肌肉收縮和縮短時 - 無論是意志激活還是電激活 - 另一個伸展，反之亦然。

這種耦合運動使肌腱內(nèi)的自然生物傳感器能夠將電信號傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，傳遞肌肉長度，速度和力信息，這被大腦解釋為天然關節(jié)本體感受。

Herr說，這就是肌腱本體感覺在人體關節(jié)中自然起作用的方式。

“因為肌肉具有天然的神經(jīng)供應，當這種激動劑 - 拮抗劑肌肉運動發(fā)生時，信息通過神經(jīng)傳遞到大腦，使人能夠感覺到這些肌肉的運動，包括它們的位置，速度和負荷，”他說。

通過將AMI與電極連接，研究人員可以檢測肌肉的電脈沖，或者向肌肉施加電力使其收縮。

“當一個人正在考慮移動他們的幻影腳踝時，映射到該仿生腳踝的AMI來回移動，通過神經(jīng)向大腦發(fā)送信號，使截肢者真正感覺到他們的仿生腳踝在整個過程中移動整個角度范圍，“赫爾說。

根據(jù)該論文的第一作者和該項目的研究生負責人泰勒克萊特斯(Tyler Clites)的說法，解讀神經(jīng)中本體感受的電子語言是非常困難的。

“使用這種方法，而不是自己說電子語言，我們使用這些生物傳感器為我們說這種語言，”Clites說。“這些傳感器將機械拉伸轉化為電信號，可被大腦解釋為位置，速度和力的感覺。”

AMI首先由波士頓布萊根婦女福克納醫(yī)院的一名人類患者手術實施，該論文的作者之一，塑料和重建外科部門的外科醫(yī)生，以及麻省理工學院的研究科學家Matthew Carty。

在該手術中，在膝關節(jié)以下截肢時在殘肢中構建了兩個AMI，其中一個AMI用于控制假肢踝關節(jié)，另一個用于控制假肢距下關節(jié)。

“我們知道，為了讓我們驗證這種截肢新方法的成功，我們需要將手術與一種新型假體結合起來，這種假肢可以利用這種新型殘肢的附加功能，”Carty說。“協(xié)作至關重要，因為程序的設計為機器人肢體的設計提供了信息，反之亦然。”

為此，在麻省理工學院建造了一個先進的假肢，并在截肢手術后使用放置在每個AMI肌肉上的電極與患者的周圍神經(jīng)系統(tǒng)電連接。

然后，研究人員將AMI患者的運動與使用相同的高級假肢進行傳統(tǒng)膝下截肢手術的四個人的運動進行了比較。

他們發(fā)現(xiàn)，AMI患者對假肢裝置的運動具有更穩(wěn)定的控制，并且能夠比傳統(tǒng)截肢術更有效地移動。他們還發(fā)現(xiàn)AMI患者很快就表現(xiàn)出自然的反身行為，例如當走下一組樓梯時將腳趾伸向下一步。

這些行為對于自然人類運動至關重要，并且在所有經(jīng)歷過傳統(tǒng)截肢的人中都不存在。

在患者的殘肢中通過外科手術創(chuàng)建了兩個激動劑 - 拮抗劑神經(jīng)接觸裝置(AMI)：一個與機器人踝關節(jié)電連接，另一個與機器人距下關節(jié)電連接。NeuroscienceNews.com圖片歸功于MIT Media Lab / Biomechatronics group。Stephanie Ku的原創(chuàng)藝術品。

更重要的是，雖然常規(guī)截肢的患者感到與假體脫節(jié)，AMI患者迅速描述了仿生踝和足已成為他們自己身體的一部分的感覺。

“這是非常重要的證據(jù)，證明這名患者的大腦和脊髓采用了假肢，好像它們的生物肢體一樣，使這些生物通路再次變得活躍，”Clites說。“我們認為本體感受是這種采用的基礎。”

佛羅里達大學的Robert W. Adenbaum工程創(chuàng)新教授丹尼爾·費里斯(Daniel Ferris)表示，對于肢體截肢的人來說，很難通過他們的假肢來獲得一種體現(xiàn)感，他沒有參與這項研究。

“這是開創(chuàng)性的。被截肢患者增加的體現(xiàn)感是對仿生肢更好控制和反饋的有力結果，“Ferris說。“我希望我們會看到有創(chuàng)傷性截肢的人開始尋找這種類型的手術和假肢接口 - 它可以為截肢者提供更高質量的生活。”

此后，研究人員對另外9名膝下截肢患者進行了AMI手術，并計劃對需要膝上，肘下和肘上截肢術的患者采用該技術。

“以前，人類已經(jīng)以類似工具的方式使用技術，”赫爾說。“我們現(xiàn)在開始看到人機交互的新時代，完全神經(jīng)學的體現(xiàn)，我們設計的內(nèi)容真正成為我們的一部分，是我們身份的一部分。”