手术技术改善人工肢体的感觉和控制

即使闭着眼睛，人类也可以准确地感知肢体的位置，速度和扭矩。这种被称为本体感觉的感觉允许人类精确控制他们的身体运动。尽管近年来假肢装置有了显着改进，但研究人员无法为假肢患者提供这种基本感觉，限制了他们精确控制动作的能力。麻省理工学院媒体实验室极端仿生学中心的研究人员发明了一种新的神经接口和通信范例，能够将运动命令从中枢神经系统发送到机器人假体，并将关节运动的本体感受反馈转发回到机器人假体。中枢神经系统作为回报。

这种被称为激动剂 - 拮抗剂神经界面的新范例涉及肢体截肢的新型手术方法，其中动态肌肉关系保留在截肢中。AMI在麻省理工学院进行了广泛的临床前实验，并在Brigham和Women's Faulkner医院的人类患者首次手术实施之前得到了验证。

在今天发表在“科学转化医学”杂志上的一篇论文中，研究人员描述了在膝下截肢患者中第一个人类实施激动剂 - 拮抗剂神经界面(AMI)。

根据麻省理工学院媒体实验室媒体艺术与科学教授Hugh Herr的资深作者和项目主任Hugh Herr的说法，这篇论文首次表明关节位置，速度和扭矩的信息已从假肢进入神经系统。

“我们的目标是关闭周围神经系统的肌肉和神经以及仿生附肢之间的环路，”赫尔说。

为此，研究人员使用相同的生物传感器来创造身体的自然本体感受。

AMI由两个相反的肌腱组成，称为激动剂和拮抗剂，它们通过手术连接成串联，这样当一个肌肉收缩和缩短时 - 无论是意志激活还是电激活 - 另一个伸展，反之亦然。

这种耦合运动使肌腱内的自然生物传感器能够将电信号传递到中枢神经系统，传递肌肉长度，速度和力信息，这被大脑解释为天然关节本体感受。

Herr说，这就是肌腱本体感觉在人体关节中自然起作用的方式。

“因为肌肉具有天然的神经供应，当这种激动剂 - 拮抗剂肌肉运动发生时，信息通过神经传递到大脑，使人能够感觉到这些肌肉的运动，包括它们的位置，速度和负荷，”他说。

通过将AMI与电极连接，研究人员可以检测肌肉的电脉冲，或者向肌肉施加电力使其收缩。

“当一个人正在考虑移动他们的幻影脚踝时，映射到该仿生脚踝的AMI来回移动，通过神经向大脑发送信号，使截肢者真正感觉到他们的仿生脚踝在整个过程中移动整个角度范围，“赫尔说。

根据该论文的第一作者和该项目的研究生负责人泰勒克莱特斯(Tyler Clites)的说法，解读神经中本体感受的电子语言是非常困难的。

“使用这种方法，而不是自己说电子语言，我们使用这些生物传感器为我们说这种语言，”Clites说。“这些传感器将机械拉伸转化为电信号，可被大脑解释为位置，速度和力的感觉。”

AMI首先由波士顿布莱根妇女福克纳医院的一名人类患者手术实施，该论文的作者之一，塑料和重建外科部门的外科医生，以及麻省理工学院的研究科学家Matthew Carty。

在该手术中，在膝关节以下截肢时在残肢中构建了两个AMI，其中一个AMI用于控制假肢踝关节，另一个用于控制假肢距下关节。

“我们知道，为了让我们验证这种截肢新方法的成功，我们需要将手术与一种新型假体结合起来，这种假肢可以利用这种新型残肢的附加功能，”Carty说。“协作至关重要，因为程序的设计为机器人肢体的设计提供了信息，反之亦然。”

为此，在麻省理工学院建造了一个先进的假肢，并在截肢手术后使用放置在每个AMI肌肉上的电极与患者的周围神经系统电连接。

然后，研究人员将AMI患者的运动与使用相同的高级假肢进行传统膝下截肢手术的四个人的运动进行了比较。

他们发现，AMI患者对假肢装置的运动具有更稳定的控制，并且能够比传统截肢术更有效地移动。他们还发现AMI患者很快就表现出自然的反身行为，例如当走下一组楼梯时将脚趾伸向下一步。

这些行为对于自然人类运动至关重要，并且在所有经历过传统截肢的人中都不存在。

在患者的残肢中通过外科手术创建了两个激动剂 - 拮抗剂神经接触装置(AMI)：一个与机器人踝关节电连接，另一个与机器人距下关节电连接。NeuroscienceNews.com图片归功于MIT Media Lab / Biomechatronics group。Stephanie Ku的原创艺术品。

更重要的是，虽然常规截肢的患者感到与假体脱节，AMI患者迅速描述了仿生踝和足已成为他们自己身体的一部分的感觉。

“这是非常重要的证据，证明这名患者的大脑和脊髓采用了假肢，好像它们的生物肢体一样，使这些生物通路再次变得活跃，”Clites说。“我们认为本体感受是这种采用的基础。”

佛罗里达大学的Robert W. Adenbaum工程创新教授丹尼尔·费里斯(Daniel Ferris)表示，对于肢体截肢的人来说，很难通过他们的假肢来获得一种体现感，他没有参与这项研究。

“这是开创性的。被截肢患者增加的体现感是对仿生肢更好控制和反馈的有力结果，“Ferris说。“我希望我们会看到有创伤性截肢的人开始寻找这种类型的手术和假肢接口 - 它可以为截肢者提供更高质量的生活。”

此后，研究人员对另外9名膝下截肢患者进行了AMI手术，并计划对需要膝上，肘下和肘上截肢术的患者采用该技术。

“以前，人类已经以类似工具的方式使用技术，”赫尔说。“我们现在开始看到人机交互的新时代，完全神经学的体现，我们设计的内容真正成为我们的一部分，是我们身份的一部分。”