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導(dǎo)     語

美國麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新的神經(jīng)假肢接口，通過柔性電極捕獲肌電信號，能夠幫助截肢者自主控制仿生假肢。相關(guān)成果發(fā)表在《Nature Medicine》上。

1、研究背景

科幻小說描繪了神經(jīng)控制的仿生腿，與完整的生物四肢具有相同的多功能性和反應(yīng)性。不幸的是，目前的技術(shù)水平遠沒有那么出色。目前的仿生腿依賴于預(yù)定義的機器人控制架構(gòu)來產(chǎn)生仿生運動，通常使用有限狀態(tài)機和模式識別方法，根據(jù)步態(tài)階段和地形類型將循環(huán)腿運動建模為離散狀態(tài)。通過使用機器人傳感器檢測當前狀態(tài)，控制器在不需要用戶連續(xù)神經(jīng)調(diào)節(jié)的情況下重放預(yù)定義的固有步態(tài)算法。

考慮到腿部神經(jīng)力學(xué)的復(fù)雜性，當前系統(tǒng)的局限性并不令人驚訝。更為困難的是，在標準的截肢手術(shù)過程中，大量遠端組織被丟棄，導(dǎo)致基本的運動外周傳入神經(jīng)喪失。在之前的臨床研究中，利用電神經(jīng)刺激提供傳入反饋的被動和內(nèi)在控制仿生腿已被證明可以改善步態(tài)功能。然而，當完全由人類神經(jīng)系統(tǒng)驅(qū)動時，這種系統(tǒng)尚未證明仿生步態(tài)。

在該文中，研究人員評估了增加殘余肌肉傳入神經(jīng)對膝關(guān)節(jié)以下截肢患者仿生步態(tài)神經(jīng)調(diào)節(jié)的影響。他們假設(shè)，即使是少量的殘余肌肉傳入信號的增加，也會促進仿生步態(tài)力學(xué)、適應(yīng)性和攝動反應(yīng)的神經(jīng)控制，而不依賴于內(nèi)在的步態(tài)控制器。

2、研究概述

在該研究中,研究者招募了14名單側(cè)小腿截肢者,其中7人接受了對側(cè)肌腱界面(Agonist-antagonist Myoneural Interface, AMI)手術(shù),另外7人接受了傳統(tǒng)的非AMI截肢手術(shù)作為對照組。AMI手術(shù)的關(guān)鍵在于將殘肢脛骨前肌(TA)和腓腸肌(GAS)以及長腓骨肌和脛骨后肌這兩對屈伸肌端到端縫合,重建殘肢內(nèi)仿生的屈伸肌動力學(xué),以產(chǎn)生與完整肢體類似的本體感受性傳入。通過測量兩組受試者殘肢中脛骨前肌和腓腸肌的神經(jīng)機械特性,研究者發(fā)現(xiàn)AMI組的屈伸肌傳入信號比對照組平均高出18%,相當于正常水平的18%,證實了AMI手術(shù)能有效增強截肢者的殘余本體感受。

神經(jīng)假肢系統(tǒng)示意圖（圖片來自論文）

研究者開發(fā)了一套自主式仿生假肢系統(tǒng),通過表面肌電圖和柔性電極持續(xù)記錄截肢者殘肢脛骨前肌和腓腸肌的運動指令,實時調(diào)節(jié)假肢踝關(guān)節(jié)力矩,控制假肢完成多種步態(tài)和地形適應(yīng)任務(wù)。該系統(tǒng)基于阻抗控制方法,將肌電信號解碼為參考關(guān)節(jié)角度和阻抗調(diào)控參數(shù),再結(jié)合假肢踝關(guān)節(jié)角度、角速度反饋,以及文獻報道的生物踝關(guān)節(jié)角度和速度依賴的最大力矩特性,實時控制假肢關(guān)節(jié)力矩。值得一提的是,該控制系統(tǒng)完全依賴截肢者神經(jīng)系統(tǒng)的運動調(diào)控,無需預(yù)設(shè)的機器人控制算法如有限狀態(tài)機或模式識別。

仿生假肢恢復(fù)近乎自然的步態(tài)（圖片來自論文）

結(jié)果顯示,AMI組受試者能夠在多種步速下完成近乎自然的步態(tài),最大步行速度比對照組高出41%(1.78±0.04 vs. 1.26±0.07 m/s),與健全人快走速度相當(1.81±0.03 m/s)。同時,AMI組的假肢踝關(guān)節(jié)峰值功率和凈功分別恢復(fù)了健全人65%的水平(1.95±0.11 vs. 3.0 W/kg; 0.174±0.015 vs. 0.267 J/kg),遠高于對照組。AMI組假肢的生物模擬力學(xué)性能帶動了患側(cè)下肢其他關(guān)節(jié)運動的恢復(fù),下肢運動學(xué)對稱性指數(shù)比對照組高19-26%。

仿生假肢恢復(fù)坡面和樓梯環(huán)境下的生物模擬地形適應(yīng)能力（圖片來自論文）

在5°坡面和樓梯環(huán)境下,AMI組同樣展現(xiàn)出了生物模擬的地形適應(yīng)能力。他們能在不改變假肢控制參數(shù)的情況下,自主調(diào)節(jié)假肢踝關(guān)節(jié)力矩,增大上坡推進功率和凈功,維持下坡時的緩沖特性;在樓梯上下時則表現(xiàn)出明顯的初始觸地緩沖和蹬離推進。與對照組相比,AMI組的地形適應(yīng)性峰值功率提高了163-202%,凈功提高0.12-0.232 J/kg,任務(wù)完成速度提高32-43%,下肢運動學(xué)對稱性提高13-28%。

仿生假肢對障礙物擾動做出生物模擬的快速響應(yīng)（圖片來自論文）

此外,研究者通過障礙物跨越實驗考察了AMI假肢對環(huán)境擾動的快速響應(yīng)能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn),AMI組能夠顯著調(diào)整假肢踝關(guān)節(jié)運動,平均增加4.14°的離地背屈角度,快速跨越障礙物,并在隨后的恢復(fù)步中產(chǎn)生124%更高的峰值推進功率(1.01 vs. 0.45 W/kg)和0.141 J/kg更大的凈功,實現(xiàn)54%更快的擾動步行速度(0.94 vs. 0.61 m/s)。相比之下,對照組的假肢踝關(guān)節(jié)對障礙物的運動學(xué)和動力學(xué)響應(yīng)能力較弱。

殘肢屈伸肌傳入信號增強使仿生假肢在神經(jīng)調(diào)控下逐漸趨近自然步態(tài)（圖片來自論文）

進一步的機理分析表明,隨著殘肢肌肉傳入信號的增強,神經(jīng)調(diào)控下的仿生假肢功能逐漸趨近于自然步態(tài)。當殘余傳入處于非生物模擬水平時,假肢踝關(guān)節(jié)力矩-角度曲線呈現(xiàn)順時針方向,耗散步態(tài)周期內(nèi)的機械能;隨著殘余傳入增強到高水平,力矩-角度曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r針方向,呈現(xiàn)出與正常步態(tài)類似的負載響應(yīng)、強力推蹬和正凈功輸出。相關(guān)分析表明,殘肢肌肉傳入信號水平與多個仿生假肢功能指標呈現(xiàn)顯著正相關(guān),包括踝關(guān)節(jié)峰值功率(r=0.88)、凈功(r=0.78)、步行速度(r=0.85)和下肢運動學(xué)對稱性(r=0.83)等,整體控制性能相關(guān)系數(shù)高達0.92。盡管AMI組的殘余屈伸肌傳入信號僅恢復(fù)到正常水平的18%,卻能使神經(jīng)控制的假肢性能趨近自然水平,表明人體具有很強的感覺運動適應(yīng)能力。

3、研究意義

這項研究系統(tǒng)考察了殘肢肌腱動力學(xué)重建對仿生假肢神經(jīng)控制性能的影響,涵蓋了多種步態(tài)、地形適應(yīng)和環(huán)境干擾等運動任務(wù)。結(jié)果證實,通過AMI手術(shù)增強殘肢本體感受性傳入,可以顯著提高仿生假肢在神經(jīng)調(diào)控下的連續(xù)控制能力,使其在運動學(xué)、動力學(xué)和時空參數(shù)等方面接近健全人水平。這種基于神經(jīng)調(diào)控而非內(nèi)置機器人算法的智能假肢有望為廣大截肢患者帶來更自然、靈活的假肢使用體驗,提高其運動功能和生活質(zhì)量。該研究從殘肢形態(tài)重建的角度,為未來神經(jīng)假肢和人機界面技術(shù)的設(shè)計優(yōu)化提供了新的思路和方法,對智能假肢和神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域具有重要啟示意義。

文章來源：Song, Hyungeun, et al. "Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation." Nature Medicine (2024): 1-10.