導(dǎo) 語
近日，北卡羅來納州立大學(xué)和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校進行的一項最新研究：神經(jīng)控制的機器人假肢腳踝可以讓截肢者更加自然地移動，從而提高他們的穩(wěn)定性。這一研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Science Robotics》上。
1、研究背景
下肢截肢的人失去了肢體與日常環(huán)境互動的能力。截肢者通過假肢裝置重新行走，這些假肢裝置通常是機械被動的，具有預(yù)定的剛度，主要用于儲存和返回能量。然而，截肢者的日常生活包含許多需要在缺失肢體處主動產(chǎn)生能量的活動，而目前已有的假肢裝置在這些任務(wù)期間很難提供主動支持。
2、研究概述
目前的控制方式大多適合于生物力學(xué)定義良好、可預(yù)測的運動行為。然而，這種自主控制不適合于在需要預(yù)備性調(diào)整(例如預(yù)見性姿勢調(diào)整(APA))或需要難以預(yù)定義的全身協(xié)調(diào)(例如補償性姿勢調(diào)整(CPA))情況下假肢的運動情況。
APA對于維持平衡至關(guān)重要，人體知道即將發(fā)生擾動與不知道發(fā)生擾動時的穩(wěn)定性反應(yīng)有很大區(qū)別。這些意志的前饋動作減輕了CPA的負擔(dān)，而CPA負責(zé)在擾動已經(jīng)發(fā)生后保持平衡。所以，需要一種控制方式來解決人體APA和CPA的問題，使假肢運動穩(wěn)定性更好。
在這項研究中，研究人員使用肌電圖傳感器（位于截肢部位的肌肉上）來捕獲肌肉彎曲時產(chǎn)生的電活動，從而告訴假肢要彎曲哪塊人造肌肉以及彎曲的程度。這些傳感器在截肢者的假肢接受腔中放置，改善姿勢控制和穩(wěn)定性，使他們能夠以更加自然的方式移動。
圖1：假肢機器人負荷試驗（圖片來源于論文）
研究參與者在進行實驗時，模擬日常生活中可能的擾動，如接球或拿起雜貨。在這些情況下，他們需要快速作出反應(yīng)以保持平衡。使用傳統(tǒng)假肢時，參與者需要邁出一步來應(yīng)對這些干擾，但使用神經(jīng)控制假肢，他們可以更輕松地保持靜態(tài)姿勢，減少了跌倒的風(fēng)險。
圖2：負荷試驗示意圖（圖片來源于論文）
在有預(yù)期的推拉試驗中，與被動條件相比，dEMG條件下的假肢參與者的穩(wěn)定性測量值有明顯改善，參與者產(chǎn)生了預(yù)期的調(diào)整他們的質(zhì)心（CoM）對擾動的方向，這與正常人參與者CoM的變化類似。
在代償性“保持”時間內(nèi)(t=1~2S期間平均值)，實驗觀察到正常人和dEMG控制組(P=0.516)有相似的距離漂移(P=0.516)，但與被動假肢(P=0.004)無關(guān)。
圖3：正常人和假肢參與者對推動擾動的平均反應(yīng)（圖片來源于論文）
使用dEMG控制的假肢受試者在前后(AP)和內(nèi)側(cè)(ML)方向上的壓力中心(COP)漂移也比被動裝置有所改善。在擾動之前，正常人個體有一個靜息的趾屈扭矩(t=−0.5S)，并在擾動前產(chǎn)生預(yù)期的扭矩變化。在擾動開始后不久(t=0 S)，個體主要用右腿產(chǎn)生背屈扭矩。使用dEMG控制的假肢參與者也從他們的假肢和正常肢體產(chǎn)生類似水平的扭矩。
在實驗中觀察到了平衡策略的明顯變化，使用dEMG控制與被動控制相比，在使用dEMG時，三名受試者主要使用踝關(guān)節(jié)策略，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的偏移相對較小，踝關(guān)節(jié)的偏移量較大。另外兩名TT受試者使用混合策略，同時從所有關(guān)節(jié)偏移。與被動控制相比，這些參與者仍然改善了假肢和完整肢踝關(guān)節(jié)偏移之間的同步性。
圖4：使用被動和 dEMG 控制假肢腳踝推動擾動期間的平衡策略（圖片來源于論文）
為了研究神經(jīng)協(xié)調(diào)，參與者還被要求執(zhí)行姿勢搖擺任務(wù)，同時從下肢的雙側(cè)肌肉記錄肌電圖信號。為了說明個體基礎(chǔ)上的神經(jīng)協(xié)調(diào)變化，繪制了一名代表性正常人參與者（AB1）和一名代表性假肢參與者（TT5）的肌肉模塊結(jié)構(gòu)和激活系數(shù)。當TT5使用其被動裝置時，我們觀察到單個前肌的顯著貢獻（雖然主要是后部肌肉被激活，但完整的股直肌貢獻最大），當使用dEMG控制假肢腳踝時，這種貢獻明顯較小。在dEMG條件下使用的肌肉在肌肉結(jié)構(gòu)和激活系數(shù)方面與AB參與者中觀察到的肌肉明顯相似。
圖5：代表性參與者肌肉模塊結(jié)構(gòu)和激活系數(shù)（圖片來源于論文）
3、研究意義
這一研究具有重要的臨床意義，因為它為截肢者提供了更多的選擇，可以提高他們的生活質(zhì)量。研究團隊計劃擴大試驗規(guī)模，以進一步驗證這一技術(shù)的有效性。這一研究為未來的醫(yī)療技術(shù)和康復(fù)工作提供了新的方向，為截肢者帶來了更多希望。
參考文獻：Aaron Fleming, Wentao Liu, He (Helen) Huang. Neural prosthesis control restores near-normative neuromechanics in standing postural control. Science Robotics, 2023; 8 (83) DOI: 10.1126/scirobotics.adf5758
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