一隻真正的手!假肢新技術可由患者神經操控,降低幻肢痛

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從最早1993年開始就有為截肢後的患者、戰爭中受傷的士兵等研發的仿生手臂(bionic arms),隨著各種科技的發展,3D列印、腦機介面等技術提供了仿生假肢更好的研究背景。

仿生假肢初期設計

從最一開始需要用特製的蓋子包覆著部分上身,並連接出手臂,肩上的特製蓋內有偵測器可以偵測神經電訊號,加以轉換成假肢的動作。接著能夠用 3D 列印大幅加快並降低製作成本,讓這樣的仿生假肢能夠為更多病人使用。

早期透過假肢上貼附的感應器,從皮膚紀錄神經對肌肉的電訊號,然後轉換成操控假肢的動作。但這樣操作機制會根據使用者殘肢上的神經量與種類不同,保留越多完整神經的使用者,能夠傳遞更多訊息,進行精巧的動作;而保留較少神經元的病人,就只能做一些簡單像是彎曲上臂的動作。並且假肢厚重的機械手臂和套著身體的部分,如果流汗、相對位置移動了,或是手臂浮腫了,都會影響到假肢裡面預設好位置的偵測器,讓假肢必須重新校準收集到的電訊號。這樣的麻煩,令許多人相衡之下選擇放棄。

新技術RPNI的開發減少病患負擔

但是科學家沒有放棄尋找更好的方法,他們利用斷肢處剩下的神經,區分出細束與假肢相連,除了讓使用者能夠隨自己心意的控制假肢手臂的每一個關節,更甚至能提供觸覺等感覺回饋。

密西根大學生醫機械工程學院的研究團隊在期刊 Science Translational Medicine 發表了他們最新的研究結果,利用斷肢處的原有神經,再加上小塊的肌肉移植讓電訊號放大,接著操控假肢上臂,雖然能夠做的動作,依舊要視使用者神經元保留狀況而定,但他們成功讓截肢患者們配戴假肢上臂長達 1 年,無需校準矯正,增加了操控的精準性外也讓便利性與可適性提高。並且因為採用了腦機介面的機械學習運算法,讓假肢可以隨著使用者的『想法』而動,而不需要使用者另外學習如何操控,是最貼近原始肢體使用情形的設計,也是這項研究最希望達到的目標。

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放大電訊號並減少外力引起的神經傷疤

過往操作腦機介面研究的科學家往往希望直接連接腦神經訊號來對機械做控制,但這是危險並且困難的;但斷肢末梢神經的訊號微弱,想要確切取得就要利用電極去連接神經,這些插入的電極常會造成神經細胞受創產生疤痕組織,讓訊號更模糊不清。密西根大學團隊利用肌肉包覆斷肢神經末梢,保護了神經讓斷裂神經纖維不會形成神經瘤,引起幻肢痛,順便能放大電訊號,這項技術稱為 regenerative peripheral nerve interfaces, RPNIs。研究團隊負責人之一的 Cindy Chestek 教授指出,在使用 RNPI 後他們記錄到史上最高的斷肢電訊號,過往僅有數十微伏特,現在可以收到毫伏特等級。這樣的訊號不僅讓每個指頭的動作都能被徹底執行,給予假肢使用者更加靈活的應用,更是因為沒有神經疤痕的產生,讓假肢可以持續使用 1 整年,不會有訊號降解的問題。

Chestek 的研究已然為神經假肢領域開啟新的大門,現在有足夠豐沛的神經訊號,可以控制更加細膩的動作,對於假肢的可動性與精巧程度就會有更多的要求,對於實時神經反應運算的機器演算法也會更加要求。過去 1 年的受試者之一 Joe Hamilton 表示,『就像是我真正的手一樣,我感覺像是找回正常的自己。』RPNI 的神經假肢已經進入臨床試驗,等待未來能夠幫助更多的人,研究團隊也表示他們將繼續琢磨直到真正讓患者們達到與常人無異的活動水平。負責人 Cederna 教授說,感謝這些受試者們讓這項研究不僅是紙本上的知識,而是實質的幫助,這是研究人員心中無法言喻的感動。

文/ Ray

參考資料:

  1. https://bme.umich.edu/its-like-you-have-a-hand-again/
  2. https://stm.sciencemag.org/content/12/533/eaay2857

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