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磁铁助力假肢控制

来源:荣格-《医疗设备商情》     发布时间:2021-11-23
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对于穿戴假肢的截肢者来说,最大的挑战之一是实现假肢的精确控制,以使其像自己本来的肢体一样自然移动。大多数假肢使用肌电信号(EMG)进行控制,这是一种采集伴随肌肉收缩动作产生的生物电信号的方法,但这种方法只是基于肌电信号来作出反应,而不是实际的肌肉变化,因而只能对假肢进行有限的控制。


麻省理工学院Media Lab的研究人员开发了一种新的替代方法,以更精确地控制假肢。将小磁珠植入残肢的肌肉组织后,它们可以在肌肉收缩时精确测量肌肉的长度,并且可以在几毫秒内将这种反馈传递给仿生假肢。
经过测试,研究人员发现利用这种方法传感器最低可以感受到肌肉37微米的收缩,这个长度与人类头发丝的直径相当,并且信号延迟只有3毫秒,比传统上利用肌电信号控制假肢的方法要更加精确。


该研究结果发表在《Science Robotics》杂志上,研究人员测试了他们称为Magnetomicrometry(MM)的这种新策略,结果表明该方法可以为动物提供快速准确的肌肉测量。该研究团队希望在未来几年内在截肢患者身上测试这种方法。


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“我们希望MM取代肌电信号,成为将周围神经系统与仿生肢体联系起来的主要方式。这是很有希望的一个方向,因为我们通过MM可以获得高质量信号,而且这种方法是微创的,监管障碍和成本也较低。”麻省理工学院Media Lab生物机电一体化小组负责人Hugh Herr教授说。他也是该论文的主要作者之一。

精确测量
现有的假肢技术,主要使用电极获得人体肌肉的肌电信号(EMG)。电极可以连接到皮肤表面,或通过手术将电极植入肌肉。后一种方法需要进行高度侵入性和昂贵的手术,但能提供更准确的测量。不过,在上述任何一种情况下,肌电信号都只提供有关肌肉电活动的信息,而不是它们的长度或速度。


“当你使用肌电信号控制假肢时,你得到的只是大脑告诉肌肉应该怎么做的信号,而不是肌肉的实际动作。”麻省理工学院博士后Cameron Taylor说。她是该研究的主要作者之一。


麻省理工学院的新策略正是基于这样一个想法:如果传感器可以测量肌肉正在做什么,那么将更精确地控制假肢。为了实现这一点,研究人员决定将成对的磁珠植入肌肉中。通过测量磁铁相对于彼此的运动,研究人员可以计算肌肉收缩的程度和收缩速度。


两年前,Herr和Taylor开发了一种算法,大大减少了传感器确定植入体内的小磁珠位置所需的时间。这帮助他们克服了使用MM控制假肢的主要障碍之一,即此类测量的长滞后时间。


研究人员测试了他们的算法跟踪植入火鸡腿部肌肉中的磁珠的能力。他们使用的磁珠直径为3毫米。植入的磁珠之间的距离至少为3厘米,因为如果它们离得比这个距离更近,磁铁往往会相互移动。


研究人员使用放置在腿外侧的一系列磁性传感器,发现传感器感知磁珠位置变化的精度可以达到37微米。他们移动火鸡的踝关节,可以在三毫秒内获得这些测量结果。


为了控制假肢,这些测量结果输入到计算机模型中,该模型根据截肢者残肢肌肉的收缩来预测患者希望进行的在空间中的位置。这种策略将引导假肢按照截肢者希望的方式来移动,与他们想象中的肢体位置相匹配。
“通过MM方法,我们可以直接测量肌肉收缩的长度和速度,”Herr说,“通过对整个肢体的数学建模,我们可以计算出要控制的假肢关节的目标位置和速度,然后再使用一个简单的机器人控制器就可以控制这些关节。”

肌肉控制
研究人员希望在接下来的几年内对膝盖以下截肢的患者进行一项小型研究。他们设想将用于控制假肢的传感器放置在衣服上、附着在皮肤表面或固定在假肢的外部。


MM还可用于通过被称为功能性电刺激(functional electrical stimulation)的技术来改善肌肉控制,该技术现在用于帮助脊髓损伤患者恢复活动能力。MM的另一个可能用途是引导机械外骨骼,它可以连接到脚踝或其他关节,以帮助中风或其他类型肌无力患者。


“从本质上讲,磁铁和外骨骼充当人造肌肉,可以放大中风肢体中生物肌肉的输出,”Herr说,“这就像汽车中使用的动力转向系统。”


MM方法的另一个优点是微创。只需要一个很小的伤口就可以将小磁珠植入到肌肉中。Herr说,一旦植入肌肉,这些磁珠就可以终生保持原位而无需更换。


来源:荣格-《医疗设备商情》


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