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暖科技:智能假肢让截肢者再次感受到手心的温度

上网日期: 2016年05月26日 ?? 作者: IEEE Spectrum ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:智能假肢? 触感假肢? 温度感应假肢?

Igor Spetic是本文的主人公,也是我们克利夫兰退伍军人医疗中心研究团队的志愿者。现在他正戴着眼罩和降噪耳机用自己的左手摸索着从面前的碗里拿出一串樱桃。这是在做游戏吗?不是,这是在做测试,因为Igor Spetic的右手已经在一次事故中离他而去了。

过去几年,他一直在使用我们团队开发的肌电假肢,而真正控制他“右手”的是右臂上肌肉的伸缩。从传统意义上来说,普通假肢对截肢患者的装饰意义大于实用意义,在这项测试中,用传统假肢拿取的樱桃确实非常容易被挤爆。

Igor Spetic(右)在一次工业事故中失去了自己的右手。他与Dustin J. Tyler(左)共同开发了试验性假肢系统,可以让自己重新获得失去的感觉。《电子工程专辑》
Igor Spetic(右)在一次工业事故中失去了自己的右手。他与Dustin J. Tyler(左)共同开发了试验性假肢系统,可以让自己重新获得失去的感觉。
Source:Mike McGregor

随后,我们为他换上肌电假肢并启动了功能性神经接口实验室专门研发的触觉系统。此前,我们团队的外科医生Anderson和Keith就在他的右前臂中植入了电极,并通过20个触点连接了3条主要的神经。这样一来,通过对不同神经上不同触点的刺激,就能让Spetic产生真实的感觉。

为了测试这种“鬼影手”般的触感是否能让Spetic更好的控制假肢,我们将薄膜压力传感器植入了设备中并用传感器收集到的型号来刺激相应的神经。这样一来,假肢捏樱桃的力度就小了许多,Spetic顺利的将樱桃梗摘了下来。

在我们的一系列测试中,当触觉系统开启时,Spetic顺利完成了93%的任务,但如果该系统关闭,他在做任务时成功率连一半都不到。此外,据Spetic反映,开启触觉系统时他好像有了真手,假肢不再像是简单的工具了。每当我们开启系统,Spetic就会说:“我的右手回来了。”

Igor Spetic(右)在一次工业事故中失去了自己的右手。他与Dustin J. Tyler(左)共同开发了试验性假肢系统,可以让自己重新获得失去的感觉。《电子工程专辑》Source:Mike McGregor

未来,我们希望能将假肢打造的与人手一样灵活。不过,眼下我们的目标是让Spetic忘掉自己已经没了右手。现在,我们的触觉系统还处在初级阶段,而且只能在实验室中完成任务。在测试中,Spetic完成任务时胳膊上还需要插各种线缆,因为我们需要通过电脑来控制神经的刺激。即便如此,这款触觉系统也是有史以来第一次让截肢患者产生真实的感觉。眼下,我们正在开发一款能完全植入人体的系统,并希望在五年内能开始进行临床试验。

那么拥有了触感的假肢到底能有多大能耐呢?众所周知,现在市售的假肢戴上后只能完成一些不需要精确度的工作,如支撑身体平衡。如果为假肢加入触觉系统,截肢患者在控制肢体方面的自信就会大大增强,利用假肢,他们就能完车生活中一些较为简单的任务。

除了上面提到的用途,我们还希望假肢能在人际交往间发挥更大的作用。触觉在建立人与人之间感情方面有很大的作用,少了这一能力,人们会感觉很失落。当我们询问许多截肢患者时,他们均表示希望能用假肢握住自己爱人的手、感受到对方手心的温度。未来,我们的技术将帮他们完成这一梦想。

在解决人类与机械的融合问题上,我已经努力了几十年。在生物医学工程和神经工程方面的丰富经验也让我一直在思考一个看似简单的问题:怎样才能让电子电路与神经系统无障碍交流呢?如果我们找到了解决办法,又如何将这些感觉信号传输给截肢患者呢?此外,除了解放截肢患者,这项技术还能在哪些方面提高普通人的生活质量呢?

在过去的几十年中,我们在该领域有了非常大的突破,包括能植入人类大脑和身体的硬件,与能理解和模拟自然神经编码。在这些编码里,神经系统中的电子脉冲可以在脑细胞和遍布全身的神经元中传递信息。这些信号成了身体的驱动器,它们产生的反馈就变成了截肢患者的感觉。此外,信号还可以控制肢体的位置和肌肉力量等。

将电荷植入肌肉或神经附近后,我们就可以通过发送信号控制电荷来指挥肌肉收缩了。最近,我们则在关注如何理解并修复患者的敏感度系统。

一张X光片让我们看到了Spetic前臂中通过手术植入的电极,以及上臂中连接到外部电脑的电线。《电子工程专辑》
一张X光片让我们看到了Spetic前臂中通过手术植入的电极,以及上臂中连接到外部电脑的电线。
Source:Tyler Lab/The Cleveland VA Medical Center

在触觉感知接口方面,我们主要致力于连接断肢和大脑。不过其过程非常之艰难,因为在刺激方面我们要力求精确,而且还不能损坏或改变相关神经。要想完全成功,恐怕还需一段时日。

要打造植入界面就稍微简单些,因为我们的可选方式很多。对人体伤害最小的就是将电荷植入神经附近的肌肉。该方法在医学界已经开始了广泛使用,它对脊椎损伤、中风和其他形式的神经损伤都有一定的疗效。另外,此种方法下,人体对电荷的排异反应小,而且电荷的更换也非常简单。不过在执行任务时它需要的电量稍大,有时刺激效果不好。

除了将电荷植入肌肉,我们还可以将其放入神经和目标轴突附近,而这里是神经元处理电子脉冲的核心区域,这就意味着完成刺激任务需要的电量很小,而且我们可以有选择性的刺激某些轴突。不过它也有副作用,那就是身体会对电荷产生较强的排异反应,有时会直接将它们排出神经外。

手的2D绘图:James Provost。3D绘图: Illustration: Bryan Christie Design。《电子工程专辑》
手的2D绘图:James Provost。3D绘图: Illustration: Bryan Christie Design。

恢复触觉:为了让截肢患者重获触觉,凯斯西储大学的研究者通过手术将电荷植入了患者的正中神经、桡神经和尺骨神经中。这次他们用了扁平型的袖口,这种新型产品比传统的环形袖口更有效,因为这样电子信号更容易传导至神经中。当精确的电子脉冲传入电荷,患者手心和手背的特定部位就会有感觉,他们甚至能感觉到不同的质地。虽然这套实验性系统暂时还需要外置电脑帮忙,但研发人员未来会将控制器无线化,这样就可以方便的控制假肢了。

在这两种方法中,较为简单的肌肉植入法只能刺激某条神经上的一点,因此它可用于癫痫病的治疗或帮助中风病人说话和吞咽。而较为复杂的神经轴突植入法,则主要用于治疗脊柱损伤。

从20世纪90年代末开始,我们的团队就一直在开发此类环绕式电荷,也就是我们所说的神经袖口。在研发中心我们遇到过许多问题,如何在不穿透神经的情况下与其进行交互就成了难题之一。神经接触面较小,传统的环形电荷袖口无法完成这一任务。因此我们将神经袖口拍扁,让其能与神经进行充分的“亲密接触”。

这些平整电极包围一条神经,信号可以通过8个渠道发送。《电子工程专辑》
这些平整电极包围一条神经,信号可以通过8个渠道发送。。
Source:Tyler Lab/The Cleveland VA Medical Center

2014年,我们发布了最新的扁平型袖口,它内建8个接触点,每个触点都会负责一种刺激。现在,这种8通道的袖口已经开始了试验,我们前面提到的Spetic,就在自己的正中神经和尺骨神经植入了这种袖口,不过另一个主要神经桡神经则依然使用的是传统的环形电荷袖口。装上了这些设备后,Spetic的前臂就有了20个刺激通道。

Spetic第一次进行测试时,我们完全不知道不同的通道产生的刺激在感觉和方位上有差别。我们只是紧张的打开设备,并激活了他正中神经上的一个触点。“哇,”他马上尖叫了起来,“我大拇指有感觉了,这是我受伤后第一次啊!”同时,这一时刻也让我们整个团队感到欢欣鼓舞。

经过后续的测试,我们发现这20个刺激点居然能让Spetic的“鬼影手”上19处都起了反应,其中包括手心手背、手腕和大拇指等。

下一步,我们袖口上的触点将增加到现有的4倍。刺激通道的增多,让我们能有选择的连接更多小型的轴突,这样患者的感觉就会变得更丰富。除了触觉,我们未来还想让他们能体验到温度、关节位置、肌肉直觉甚至疼痛感。虽说疼痛这个词有些贬义,但它确实一种重要的保护机制。在测试中,一条刺激通道就触发过疼痛感。

眼下,我们还在继续开发新的刺激通道,而2012年5月就植入Spetic体内的系统依然运行良好,Spetic称当系统关闭后,他完全感觉不到这些电荷的存在。

从技术角度来说,触发出患者的感觉是一回事,但如何控制这种感觉又是另一回事。整个过程就像说话,你需要发出声音,但要想让他人理解,你就要用语言将其道出。在第一次实验中,我们就发生错误,造成Spetic感觉异常,当时我们发出的就只是“声音”,而不是“语言”。

拥有触觉意味着,Spetic要知道假肢运作如何,不再只能依靠视觉信息。《电子工程专辑》

拥有触觉意味着,Spetic要知道假肢运作如何,不再只能依靠视觉信息。《电子工程专辑》
拥有触觉意味着,Spetic要知道假肢运作如何,不再只能依靠视觉信息。
Source:Mike McGregor

在第二次测试中,我们更换了电子脉冲的模式,将刺激信号放进了大脑,不过这次测试结果依然不容乐观。由于可选项太多,我们还是没有找到正确的刺激模式。

为了加快测试的进度,我甚至都开始在自己身上做实验了。由于我双手健在,所以团队成员在我的手指上装了电荷,这样就可以刺激我的浅表神经了。实验开始后,我们发现间隔性的改变脉冲强度可以让我的手指感觉到压力——就好像有人在挤压我的手指。

在我身上试验成功后,团队开始在Spetic身上进行测试。刺激刚刚开始时,他显得有些迷茫,不过随后他就称自己感觉到了压力,就好像将手指放在颈动脉上一样。经过微调后,我们换了一种刺激方法,Spetic这次感觉到了温柔的抚摸,“就像某人将手指放在我手上一样。”

经过研究,我们发现较弱的脉冲激活的神经元较少,而较强的脉冲则能激活更多神经元。此外,激活神经元数量的多少也是由大脑中神经编码控制的,如果我们的刺激方式与神经编码同步,患者就能感受到触感。

掌握了简单的神经编码后,我们正努力探寻更为复杂刺激方式,以便让患者能获得更加微妙的触感。眼下,Spetic已经可以感觉到事物的纹理,他可以区分魔术贴和砂纸,而且能感觉到物体的移动和振抖,此外他还能感觉到别人的触摸。现在,Spetic使用假肢时变得更自信了。

眼下我们正联合其他实验室共同打造一套植入式的刺激系统,只需带上专门打造的拟人化触感假肢,就能完成许多简单任务。预计该项目3年之内就能完成,5年就能开始临床测试。

主人与我:目前,完全可移植的触觉系统还在开发中,将在5年内可用于临床试验。《电子工程专辑》
主人与我:目前,完全可移植的触觉系统还在开发中,将在5年内可用于临床试验。
Source:Mike McGregor

打造一个能带出实验室的复杂神经刺激设备可不容易。假肢需要持续监控数百个触觉和位置传感器,并实时将数据回传给刺激器,随后,这些数据就会被转译成神经编码传给神经。与此同时,我们的系统还将通过记录残肢上16块肌肉的运动习惯来推测用户的意图。这些数据也将被编码并回传给身体产生刺激信号来驱动假肢。总的来说,该系统最终会拥有96个刺激通道和16个记录通道,此外,我们还要最大限度的减少刺激的延迟。

在系统的改进过程中,我们试图找到触点的最佳数值。如果我们使用3个扁平电荷袖口(每个有32个触点),我们就能在手上创造96个触点。那么我们到底需要多少刺激通道呢?经过这些通道的信息又如何来调整和转译呢?

想要打造一个无需外置电脑的独立设备,我们需要在假肢中植入微型处理器,并让其肩负起给电荷袖口发刺激信号的任务。此外,这些电荷也必须坚固耐用,能在人体内长时间工作。

这绝对是一个令人望而却步的工程挑战,不过如果我们成功了,这项触觉技术就将影响全世界。不光截肢患者,普通人也能获得全新的触感,医生可以通过手直接感知婴儿的心跳,而扫雷专家则摸摸线就能知道到底该剪哪根了。

如果一切顺利,这种设想在未来十年内就能成真。感觉能帮我们分清彼此,如果将这种能力教给机器,就能扩展人的控制范围。当然,许多人的真正愿望其实很简单,那就是再次感受到爱人手心的温度。

原文链接:http://www.leiphone.com/news/201605/cOB2QwkYfVXj6H7m.html

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