曾因攀巖事故雙腿截肢，MIT教授開發(fā)連接大腦神經(jīng)的仿生腿，幫助截肢者恢復(fù)正常行走

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來源：生物世界

2024-07-02

2024年7月1日，Hugh?Herr?團(tuán)隊在國際頂尖醫(yī)學(xué)期刊?Nature?Medicine 上發(fā)表了題為：Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation?的研究論文。該研究開發(fā)了一種神經(jīng)義肢接口，將來自大腦的信號與義肢連接，由此構(gòu)建的仿生腿對人體神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生完全響應(yīng)，幫助使用者根據(jù)自己的想法和自然反射來行走。在14名膝下截肢人士參與的臨床試驗中，仿生腿幫助他們和沒有截肢的健全人走得差不多快，讓他們使擁有了具有更好的平衡能力以及改變速度、爬樓梯和跨越障礙的能力。

1982年，18歲的攀巖運(yùn)動員 Hugh Herr 因攀巖中遭遇暴風(fēng)雪，導(dǎo)致雙腿膝蓋以下截肢，經(jīng)過手術(shù)和恢復(fù)后，他使用自己設(shè)計的假肢，繼續(xù)攀巖運(yùn)動，并取得了更好的成績，這也讓他成為第一個在運(yùn)動項目中表現(xiàn)媲美精英級健全人的大面積截肢者。

除了運(yùn)動天賦以外，Hugh Herr 還是麻省理工學(xué)院（MIT）的教授，他的實驗室致力于開發(fā)可穿戴機(jī)器人系統(tǒng)，從而幫助像自己這樣的截肢或疾病患者康復(fù)，以及增強(qiáng)健全人的身體機(jī)能。

2024年7月1日，Hugh Herr 團(tuán)隊在國際頂尖醫(yī)學(xué)期刊 Nature Medicine 上發(fā)表了題為：Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種神經(jīng)義肢接口，將來自大腦的信號與義肢連接，由此構(gòu)建的仿生腿對人體神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生完全響應(yīng)，幫助使用者根據(jù)自己的想法和自然反射來行走。在14名膝下截肢人士參與的臨床試驗中，仿生腿幫助他們和沒有截肢的健全人走得差不多快，讓他們使擁有了具有更好的平衡能力以及改變速度、爬樓梯和跨越障礙的能力。

這些結(jié)果表明，即使只恢復(fù)部分神經(jīng)信號傳導(dǎo)，或許也足以實現(xiàn)神經(jīng)義肢功能的臨床相關(guān)改善。

Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation 研究論文

Hugh Herr 教授

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者 Hugh Herr 教授表示，這是第一項展示了全神經(jīng)調(diào)控下自然步態(tài)模式的研究，在這種模式下，人的大腦能100%控制仿生義肢，而不是由機(jī)器人算法控制。盡管這個義肢由鈦、硅以及各種機(jī)電部件組成，但其使用起來的感覺很自然，甚至不用有意識地去思考，它就能自然移動。

當(dāng)肌肉遇上機(jī)器

目前大多數(shù)現(xiàn)有的仿生義肢依賴于預(yù)設(shè)算法來驅(qū)動運(yùn)動，并能在為各種步行狀況預(yù)設(shè)的模式之間自動切換。目前前沿的仿生義肢已經(jīng)能夠幫助截肢者更流暢地行走、跑步和爬樓梯，但控制腿部運(yùn)動的是義肢而非使用者本人，而且使用者也會感覺到該義肢并非身體的一部分。

Hugh Herr 決心改變這種情況，他和團(tuán)隊開發(fā)了一種神經(jīng)義肢接口，利用截肢后殘留的神經(jīng)和肌肉發(fā)出的信號來控制義肢，具體來說，通過手術(shù)將成對的主動肌-拮抗肌與感知電極相連，這些成對的動態(tài)肌肉在殘肢內(nèi)通過手術(shù)構(gòu)建，作為腿部截肢人士的神經(jīng)義肢控制和本體感受來源。這個接口能將患者的神經(jīng)控制信息傳給一個外部義肢，并進(jìn)一步將義肢位置和運(yùn)動的本體感受傳回給使用者。

接下來，研究團(tuán)隊進(jìn)行了一項14名膝蓋以下截肢患者參與的臨床試驗，在佩戴該仿生義肢裝置之前，其中7人接受了手術(shù)，將腿部殘端的成對的主動肌-拮抗肌連接在一起，不僅能夠重建自然的肌肉運(yùn)動，還有助于減輕疼痛，保留肌肉量，提高仿生義肢的舒適度。該仿生腿整體重量為2.75公斤，與天然小腿的平均重量相當(dāng)。

快速進(jìn)步

為了測試該系統(tǒng)，研究團(tuán)隊讓每位參與者使用新的仿生腿總共練習(xí)6個小時。隨后，將他們在各項任務(wù)中的表現(xiàn)與另外7名接受了傳統(tǒng)手術(shù)和義肢的參與者進(jìn)行了比較。

結(jié)果顯示，該神經(jīng)義肢接口將試驗組肌肉信號的速率平均提高到了每秒10.5次脈沖，而使用傳統(tǒng)義肢的對照組約為每秒0.7次脈沖，試驗組參與者能夠完全控制他們的仿生腿，行走速度比對照組快41%。在沿著10米長的平坦走廊步行時，他們的峰值速度與未截肢的健全人相當(dāng)。

值得一提的是，這一效果是在僅僅練習(xí)6小時后取得的，如果更長時間的佩戴和使用，他們將獲益更多。

研究團(tuán)隊還測試了參與者在各種情況下的應(yīng)對能力，在真實世界環(huán)境中，包括斜坡、臺階和被堵住的小路，在所有情況下，仿生腿使用者都比對照組表現(xiàn)出更好的平衡性和更快的運(yùn)動能力。

使用仿生腿的試驗參與者比那些使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器腿的人走得更快

自然體驗

這項技術(shù)為那些想要恢復(fù)自然行走體驗的截肢者帶來了新的希望。截肢者想要控制自己的肢體，希望肢體成為身體的一部分，而該研究開發(fā)的神經(jīng)義肢接口是創(chuàng)造這一切的必要條件。

該設(shè)備使用的表面電極對濕度和汗水很敏感，這導(dǎo)致其可能還不適合日常使用，因此，還需要進(jìn)一步改進(jìn)以滿足短跑和跳躍等更高的運(yùn)動要求。

Hugh Herr 教授表示，團(tuán)隊正在開發(fā)一種新方法，使用植入的可精確跟蹤肌肉運(yùn)動的小磁性球來取代表面電極，以解決當(dāng)前的不足。

總的來說，這些研究結(jié)果或可用于指導(dǎo)今后的肢體重建技術(shù)，從而恢復(fù)截肢或運(yùn)動癱瘓人士對身體運(yùn)動的神經(jīng)控制。

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