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麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新的策略，可以更精確地控制假肢。微小的磁珠被植入肌肉組織后，可以準(zhǔn)確測(cè)量肌肉收縮時(shí)的長(zhǎng)度，并在幾毫秒內(nèi)將測(cè)量結(jié)果傳遞給仿生假肢。 

對(duì)于穿戴假肢的截肢者來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)之一是實(shí)現(xiàn)假肢的精確控制，以使其像自己本來(lái)的肢體一樣自然移動(dòng)。大多數(shù)假肢使用肌電信號(hào)（EMG）進(jìn)行控制，這是一種采集伴隨肌肉收縮動(dòng)作產(chǎn)生的生物電信號(hào)的方法，但這種方法只是基于肌電信號(hào)來(lái)作出反應(yīng)，而不是實(shí)際的肌肉變化，因而只能對(duì)假肢進(jìn)行有限的控制。

麻省理工學(xué)院Media Lab的研究人員開發(fā)了一種新的替代方法，以更精確地控制假肢。將小磁珠植入殘肢的肌肉組織后，它們可以在肌肉收縮時(shí)精確測(cè)量肌肉的長(zhǎng)度，并且可以在幾毫秒內(nèi)將這種反饋傳遞給仿生假肢。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)利用這種方法傳感器最低可以感受到肌肉37微米的收縮，這個(gè)長(zhǎng)度與人類頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)，并且信號(hào)延遲只有3毫秒，比傳統(tǒng)上利用肌電信號(hào)控制假肢的方法要更加精確。

該研究結(jié)果發(fā)表在《Science Robotics》雜志上，研究人員測(cè)試了他們稱為Magnetomicrometry（MM）的這種新策略，結(jié)果表明該方法可以為動(dòng)物提供快速準(zhǔn)確的肌肉測(cè)量。該研究團(tuán)隊(duì)希望在未來(lái)幾年內(nèi)在截肢患者身上測(cè)試這種方法。

“我們希望MM取代肌電信號(hào)，成為將周圍神經(jīng)系統(tǒng)與仿生肢體聯(lián)系起來(lái)的主要方式。這是很有希望的一個(gè)方向，因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)MM可以獲得高質(zhì)量信號(hào)，而且這種方法是微創(chuàng)的，監(jiān)管障礙和成本也較低。”麻省理工學(xué)院Media Lab生物機(jī)電一體化小組負(fù)責(zé)人Hugh Herr教授說(shuō)。他也是該論文的主要作者之一。

精確測(cè)量

現(xiàn)有的假肢技術(shù)，主要使用電極獲得人體肌肉的肌電信號(hào)（EMG）。電極可以連接到皮膚表面，或通過(guò)手術(shù)將電極植入肌肉。后一種方法需要進(jìn)行高度侵入性和昂貴的手術(shù)，但能提供更準(zhǔn)確的測(cè)量。不過(guò)，在上述任何一種情況下，肌電信號(hào)都只提供有關(guān)肌肉電活動(dòng)的信息，而不是它們的長(zhǎng)度或速度。

“當(dāng)你使用肌電信號(hào)控制假肢時(shí)，你得到的只是大腦告訴肌肉應(yīng)該怎么做的信號(hào)，而不是肌肉的實(shí)際動(dòng)作。”麻省理工學(xué)院博士后Cameron Taylor說(shuō)。她是該研究的主要作者之一。

麻省理工學(xué)院的新策略正是基于這樣一個(gè)想法：如果傳感器可以測(cè)量肌肉正在做什么，那么將更精確地控制假肢。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員決定將成對(duì)的磁珠植入肌肉中。通過(guò)測(cè)量磁鐵相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)，研究人員可以計(jì)算肌肉收縮的程度和收縮速度。

兩年前，Herr和Taylor開發(fā)了一種算法，大大減少了傳感器確定植入體內(nèi)的小磁珠位置所需的時(shí)間。這幫助他們克服了使用MM控制假肢的主要障礙之一，即此類測(cè)量的長(zhǎng)滯后時(shí)間。

研究人員測(cè)試了他們的算法跟蹤植入火雞腿部肌肉中的磁珠的能力。他們使用的磁珠直徑為3毫米。植入的磁珠之間的距離至少為3厘米，因?yàn)槿绻鼈冸x得比這個(gè)距離更近，磁鐵往往會(huì)相互移動(dòng)。

研究人員使用放置在腿外側(cè)的一系列磁性傳感器，發(fā)現(xiàn)傳感器感知磁珠位置變化的精度可以達(dá)到37微米。他們移動(dòng)火雞的踝關(guān)節(jié)，可以在三毫秒內(nèi)獲得這些測(cè)量結(jié)果。

為了控制假肢，這些測(cè)量結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)模型中，該模型根據(jù)截肢者殘肢肌肉的收縮來(lái)預(yù)測(cè)患者希望進(jìn)行的在空間中的位置。這種策略將引導(dǎo)假肢按照截肢者希望的方式來(lái)移動(dòng)，與他們想象中的肢體位置相匹配。

“通過(guò)MM方法，我們可以直接測(cè)量肌肉收縮的長(zhǎng)度和速度，”Herr說(shuō)，“通過(guò)對(duì)整個(gè)肢體的數(shù)學(xué)建模，我們可以計(jì)算出要控制的假肢關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和速度，然后再使用一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人控制器就可以控制這些關(guān)節(jié)。”

肌肉控制

研究人員希望在接下來(lái)的幾年內(nèi)對(duì)膝蓋以下截肢的患者進(jìn)行一項(xiàng)小型研究。他們?cè)O(shè)想將用于控制假肢的傳感器放置在衣服上、附著在皮膚表面或固定在假肢的外部。

MM還可用于通過(guò)被稱為功能性電刺激（functional electrical stimulation）的技術(shù)來(lái)改善肌肉控制，該技術(shù)現(xiàn)在用于幫助脊髓損傷患者恢復(fù)活動(dòng)能力。MM的另一個(gè)可能用途是引導(dǎo)機(jī)械外骨骼，它可以連接到腳踝或其他關(guān)節(jié)，以幫助中風(fēng)或其他類型肌無(wú)力患者。

“從本質(zhì)上講，磁鐵和外骨骼充當(dāng)人造肌肉，可以放大中風(fēng)肢體中生物肌肉的輸出，”Herr說(shuō)，“這就像汽車中使用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。”

MM方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是微創(chuàng)。只需要一個(gè)很小的傷口就可以將小磁珠植入到肌肉中。Herr說(shuō)，一旦植入肌肉，這些磁珠就可以終生保持原位而無(wú)需更換。