科学家解码脑信号以控制机器人假肢

神经控制也许有一天可以帮助患者通过意念来操作机器人假肢。现在，研究人员发现，借助物理疗法，患者通过这种神经控制方法可以完成连科学家们都无法想象的很多工作。

在世界各地，研究团队正在开发下半身外骨骼，以帮助人们行走。这些设备本质上是可以行走的机器人，用户可以把它们绑在腿上以帮助他们移动。

来源:北卡罗莱纳州立大学(NorthCarolina State University, NCSU)

这些外骨骼通常可以自动执行诸如步行之类的预编程循环运动。然而，当涉及到帮助患者进行更复杂的活动时，理想情况下，患者应该能够通过意念控制这些机器人假肢，例如，使用附着在腿部的传感器，可以检测从你的大脑发送到肌肉的生物电信号，告诉它们移动。

NCSU的生物医学工程师Helen Huang表示：“自主控制在走路中确实非常有效，但是涉及到不仅仅是走路，例如打网球或自由舞蹈，最好有神经控制。”

关于机器人假肢的神经控制，一个问题是病人的神经系统在多大程度上仍然可以激活截肢者仍然保留在肢体上的肌肉。

Huang说：“在手术过程中，肌肉的原始结构发生了变化。我们发现人们可以激活这些残留的肌肉，但是他们收缩的方式与健全的人不同，因此他们需要训练如何使用这些肌肉。”

在这项新研究中，Huang及其同事为一名截肢者配备了神经控制的动力假肢踝关节训练系统，并配备了理疗师，以执行典型假肢面临的挑战性任务。假体从负责控制脚踝运动的两条残余小腿肌肉接收到生物电信号。

实时控制设置。(a)胫骨前电极放置。(b)腓肠肌外侧电极放置。电极被放置在与肌肉腹部一致的位置(位置通过触诊来确定，截肢者被要求收缩肌肉)。(c)实时肌电信号(EMG)处理。对气动人工肌肉(PAMs)内的肌电活动进行采集和处理，生成平滑的控制信号，按比例调节气压大小。来自PAM的收缩力在踝关节假体上产生扭矩和刚度的变化。

这位57岁的志愿者失去了左腿，大约在膝盖和脚踝中间。在为期两周半的疗程中，他接受了五次理疗师的训练，每次持续约两个小时。理疗师帮助给志愿者提供了有关关节活动的反馈，并“首先对关节运动进行了训练，然后进行了全身运动和全身协调”。

经过训练，志愿者可以完成他之前觉得各种困难的任务，包括在没有任何外部帮助的情况下从坐到站，或者蹲着从地上捡起某样东西，而没有用身体其他部位进行补偿。

如上图，负荷转移任务关节屈曲角度(被动和训练后直接肌电图[dEMG]控制)。灰色:被动假体踝关节、髋关节和膝关节屈曲在峰值下蹲深度(由髋关节中心位置确定)。蓝色:dEMG控制假体踝关节、髋关节和膝关节屈曲在蹲深峰值。关节屈曲角度是指最大深度时的角度与安静站立时的角度之差。

此外，无论是站立还是移动，志愿者稳定性的改善都超出了预期。穿着下肢机器人假肢的截肢者站立时通常稳定性较差，因为机器很难预测任何干扰，也很难预测人们可能会采取何种方式来弥补这种干扰。

NCSU生物医学工程师Aaron Fleming表示:“实验中，患者站立时的稳定性和微妙的控制让人很是吃惊。”

研究人员现在的目标是对更多使用机器人假肢的患者进行检查，并对他们进行更多的任务测试，比如避免障碍物。他们还想研究这些志愿者在这类训练中神经系统可能在做什么。“它们恢复了原来的神经通路吗?”。

参考

IEEE Spectrum

Direct continuous electromyographic control of a powered prosthetic ankle for improved postural control after guided physical training: A case study

https://www.nibib.nih.gov/news-events/newsroom/neurally-controlled-prosthetic-ankle-allows-intuitive-balance-correction