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人工义肢新突破:触觉反馈和肌内电极让义肢更真实

时间:2014-10-17 来源:中国科技网-科技日报 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:

在过去50年中,人工义肢的研发几乎止步不前,虽然它们的外观和结构有所改善,但在基本功能和控制方面的进展乏善可陈。不过,《科学转化医学》杂志近日发表了两项重要成果:用逼真的触觉反馈引导假肢,用肌内电极发送可靠的运动指令。这使得目前义肢存在的巨大局限性有了显著突破。

据《自然》杂志网络版近日报道,在第一项研究中,美国凯斯西储大学神经工程师达斯汀·泰勒的研究团队给两位受试人员的指尖套上压力传感器,传感器的信号可以转化成不同电刺激模式,以模仿健康人的正常感受,比如轻拍、持续压力或者轻抚触摸等。泰勒要求受试人员摘除樱桃的梗,并进行了对比实验。如果没有这套设备带来的触感,两位参与者只能去掉77%的樱桃梗;但有了触觉反馈,他们的成功率飙升至100%。

不过,要让神经与传感刺激器连接,必须在受试人员上臂植入电极,连接线也必须穿透皮肤,这极易造成皮肤感染或电极损坏。两位参与者已经小心翼翼地让植入电极保持了大约两年时间。

“这是一个重要进步。”南加州大学生物医学工程师杰拉尔德·勒布说。但他认为,泰勒目前的设计“长期临床使用的话,可能太危险了。”对此,泰勒正在研究如何缩小刺激器的尺寸,使其有一天能完全植入皮下。

在另一项研究中,瑞典查尔姆斯理工大学生物医学工程师马克斯·奥尔蒂斯·加泰罗尼亚的团队改进了人造义肢发送运动命令的方式。

传统义肢系统通过外置电极记录肌肉活动来破译佩戴者的行动意图。该方法是非侵入性的,但肌肉和传感器之间的皮肤和组织层会扭曲信号,影响义肢的控制性。为了直接获取肌肉的信号,加泰罗尼亚采用了新设计,利用钛螺丝将义肢直接与骨头相连,将记录电极直接植入肌肉中。与以往插入式的设计相比,这个义肢系统的稳定性更好,运动范围也更大。

肌内电极此前仅进行过动物研究和短期的人体试验。而加泰罗尼亚的新义肢从2013年1月起,便由一位名叫马格努斯的货车司机在使用。“感觉就像一个真正的手臂。”马格努斯说,他以前的义肢依靠皮肤传感器,不但难以控制,冬天还经常不听使唤;而移动新义肢只需用上以前五分之一的力气。

除了肌内电极,研究人员还在佩戴义肢者残臂的一根神经周围置入了一个电极,希望有一天能将其用于感觉反馈,就像泰勒的研究小组所做的那样。

佛罗里达大学生物医学工程师凯文·奥托评价说:“这两项研究是义肢领域正在大步前进的例证。”(陈丹)  

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