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CPHI制藥在線(xiàn) 資訊 曾因攀巖事故雙腿截肢，MIT教授開(kāi)發(fā)連接大腦神經(jīng)的仿生腿，幫助截肢者恢復正常行走

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

來(lái)源：生物世界
  2024-07-02
2024年7月1日，Hugh?Herr?團隊在國際頂尖醫學(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(kāi)發(fā)了一種神經(jīng)義肢接口，將來(lái)自大腦的信號與義肢連接，由此構建的仿生腿對人體神經(jīng)系統產(chǎn)生完全響應，幫助使用者根據自己的想法和自然反射來(lái)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(méi)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歲的攀巖運動(dòng)員 Hugh Herr 因攀巖中遭遇暴風(fēng)雪，導致雙腿膝蓋以下截肢，經(jīng)過(guò)手術(shù)和恢復后，他使用自己設計的假肢，繼續攀巖運動(dòng)，并取得了更好的成績(jì)，這也讓他成為第一個(gè)在運動(dòng)項目中表現媲美精英級健全人的大面積截肢者。
       除了運動(dòng)天賦以外，Hugh Herr 還是麻省理工學(xué)院（MIT）的教授，他的實(shí)驗室致力于開(kāi)發(fā)可穿戴機器人系統，從而幫助像自己這樣的截肢或疾病患者康復，以及增強健全人的身體機能。
       2024年7月1日，Hugh Herr 團隊在國際頂尖醫學(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(kāi)發(fā)了一種神經(jīng)義肢接口，將來(lái)自大腦的信號與義肢連接，由此構建的仿生腿對人體神經(jīng)系統產(chǎn)生完全響應，幫助使用者根據自己的想法和自然反射來(lái)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(méi)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。
       這些結果表明，即使只恢復部分神經(jīng)信號傳導，或許也足以實(shí)現神經(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

Hugh Herr 教授

       該研究的領(lǐng)導者 Hugh Herr 教授表示，這是第一項展示了全神經(jīng)調控下自然步態(tài)模式的研究，在這種模式下，人的大腦能100%控制仿生義肢，而不是由機器人算法控制。盡管這個(gè)義肢由鈦、硅以及各種機電部件組成，但其使用起來(lái)的感覺(jué)很自然，甚至不用有意識地去思考，它就能自然移動(dòng)。
       當肌肉遇上機器
       目前大多數現有的仿生義肢依賴(lài)于預設算法來(lái)驅動(dòng)運動(dòng)，并能在為各種步行狀況預設的模式之間自動(dòng)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，但控制腿部運動(dòng)的是義肢而非使用者本人，而且使用者也會(huì )感覺(jué)到該義肢并非身體的一部分。
       Hugh Herr 決心改變這種情況，他和團隊開(kāi)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(lái)控制義肢，具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)手術(shù)將成對的主動(dòng)肌-拮抗肌與感知電極相連，這些成對的動(dòng)態(tài)肌肉在殘肢內通過(guò)手術(shù)構建，作為腿部截肢人士的神經(jīng)義肢控制和本體感受來(lái)源。這個(gè)接口能將患者的神經(jīng)控制信息傳給一個(gè)外部義肢，并進(jìn)一步將義肢位置和運動(dòng)的本體感受傳回給使用者。
       接下來(lái)，研究團隊進(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(dòng)肌-拮抗肌連接在一起，不僅能夠重建自然的肌肉運動(dòng)，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。
仿生腿整體重量為2.75公斤，與天然小腿的平均重量相當
       快速進(jìn)步
       為了測試該系統，研究團隊讓每位參與者使用新的仿生腿總共練習6個(gè)小時(shí)。隨后，將他們在各項任務(wù)中的表現與另外7名接受了傳統手術(shù)和義肢的參與者進(jìn)行了比較。
       結果顯示，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(zhù)10米長(cháng)的平坦走廊步行時(shí)，他們的峰值速度與未截肢的健全人相當。
       值得一提的是，這一效果是在僅僅練習6小時(shí)后取得的，如果更長(cháng)時(shí)間的佩戴和使用，他們將獲益更多。
       研究團隊還測試了參與者在各種情況下的應對能力，在真實(shí)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出更好的平衡性和更快的運動(dòng)能力。
       使用仿生腿的試驗參與者比那些使用標準機器腿的人走得更快
       自然體驗
       這項技術(shù)為那些想要恢復自然行走體驗的截肢者帶來(lái)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(kāi)發(fā)的神經(jīng)義肢接口是創(chuàng )造這一切的必要條件。
       該設備使用的表面電極對濕度和汗水很敏感，這導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(mǎn)足短跑和跳躍等更高的運動(dòng)要求。
       Hugh Herr 教授表示，團隊正在開(kāi)發(fā)一種新方法，使用植入的可精確跟蹤肌肉運動(dòng)的小磁性球來(lái)取代表面電極，以解決當前的不足。
       總的來(lái)說(shuō)，這些研究結果或可用于指導今后的肢體重建技術(shù)，從而恢復截肢或運動(dòng)癱瘓人士對身體運動(dòng)的神經(jīng)控制。
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