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新技術讓義肢更像“原裝貨”

 

 

 

在過去的半個世紀中,義肢並沒有得到義肢太多的發展。它們的外觀和結構有所改善,但潛在的功能和控制效果卻一直舉步維艱。

 

如今,在發表於《科學—轉化醫學》雜志的兩項研究中,研究人員報告說他們分別在兩個領域取得了重要進展:用真實的觸覺反饋指導義肢以及傳送可靠的電機指令。

 

美國蓋恩斯維爾市佛羅裡達大學生物醫學工程師Kevin Otto表示:“它們解決了目前義肢所面臨的巨大局限性。”

 

現 代義肢往往由記錄佩戴者肌肉運動的電子信號所驅動,並嘗試著提供基本的感官反饋。當義肢以某種方式進行觸摸時,研究人員一直試圖通過相同電脈衝的定期序列 刺激佩戴者剩余的神經以取代失去的觸覺。然而佩戴者經常報告說用來指導其義肢的反饋有時會嗡嗡作響或引起刺痛感。同時據許多佩戴者反映,長期使用義肢時, 這種不自然的感覺會讓人分心甚至產生不快。

 

俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲大學神經工程師Dustin Tyler及其同事,通過傳義肢遞能夠隨著時間的流逝而產生強度變化的模式化的脈衝序列,從而在兩名試驗參與者中取得了更好的結果。Tyler說:“它將這種刺痛感轉變為自然壓力。”

 

研究人員為受試者配備了具有壓力傳感器的人造指尖,這種傳感器能夠將信號轉化為模擬一名健康人正常感受的電刺激模式。不同的刺激模式引起了不同的感覺,包括輕拍、持續的壓力和光線、移動的觸覺。

 

為 了搞清這些感覺是否能夠用來更好地控制義肢,Tyler要求受試者嘗試拿起一些櫻桃。通常情況下,手截肢者很難完成這樣的任務——由於沒有觸覺反饋,他們 要麼抓得太緊、要麼抓得太松。沒有觸覺,受試者在這項試驗中只能設法成功抓起77%的櫻桃。而有了觸覺反饋,他們的成功率躥升至100%。

 

洛杉磯南加利福尼亞大學生物醫學工程師Gerald Loeb表示:“這是一個重要的進展。”但他表示Tyler當前的設計“在長期的臨床應用中可能太危險了”。

 

為 了將神經與刺激器連接起來,義肢佩戴者必須在他們的上臂中移植電極,並通過皮膚產生連接,而這種做法會導致移植部位的皮膚發生感染或損壞電極。而這兩項研 究的受試者已經讓移植物在體內停留了2年,同時Tyler表示他的研究小組正在設法將刺激器的體積縮小,從而有朝一日能夠將其完全植入皮膚下面——就像心 髒起搏器一樣。

 

在第二篇論文中,瑞典哥德堡查莫斯技術大學生物醫學工程師Max Ortiz Catalan及其同事報告說,他們改進了選擇和傳送電機指令的方式。

 

傳統的義肢系統通過記錄肌肉活動解碼佩戴者的意圖。由於肌肉和傳感器之間的組織和皮膚往往會扭曲電極信號,因此非侵入性的方法會削弱義肢的可控制性。根據皮膚的溫度和水分,外部電極有時會表現失常甚至失效。

 

為了直接獲得肌肉信號,Ortiz Catalan的研究小組利用一個鈦連接器將系統整體集合在佩戴者的骨骼中。骨骼組織在螺釘周圍生長完好,而與傳統的插口設計(使義肢有一個類似吊索的裝置)相比,新系統具有更強的穩定性以及更大的活動範圍。

 

在這項研究中,Ortiz Catalan的研究小組將記錄電極穿過連接器接入骨骼,隨後將它們直接移植入肌肉,並最終使義肢活動。Otto表示:“這解決了一個大問題。”肌肉電極之前僅在動物研究和短期人類試驗中使用過。

 

 

 

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