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美國delsys肌電實現“意念指揮” 假肢聽話應用靈活

  原標題:有了意念當“指揮” 假肢也能很“聽話”

美國delsys肌電實現“意念指揮” 假肢聽話應用靈活

  人可以用大腦的意念控制物體嗎?

  “阿凡達”可以變成現實嗎?

  一位失去手臂的殘疾人可以用意念控制假肢運動并拿取物品嗎?

  有了美國delsys表面肌電測試儀,這些都不是幻想。答案也是肯定的!


美國delsys表面肌電測試系統

  16通道的表面肌電加上48通道加速度采集分析系統。帶運動偽影抑制(專利)的傳感器,可以自由運動, 傳感器端直接無線發射數據,測試者不攜帶傳感器以外的接收器,無線傳輸用獨特的傳輸協議,從傳感器端到接受器或電腦沒有任何電纜連接。接收器可通過USB接口與電腦連接傳輸數據。肌電描記法的新樣式。EMG傳感器與3D加速度傳感器混合在同一個傳感器上,這種革命性的混EMG/運動,以可靠的方式提供前所未有的數據組合。其新型設計具有產品預期的無可匹敵的高品質性能,還可以在一個軟件包中自由記錄噪音源。

  

  中國科學院深圳先進技術研究院神經工程研究中心研究員李光林及其團隊研發的多功能仿生假肢,就是讓這一切成為現實的高科技“法寶”。雖然是靠意念控制假肢,但并非直接從大腦處獲得控制指令,而是利用患者肌肉表面的電信號(肌電信號,EMG)來控制假肢的運動。該方法通過肌電信號解碼識別人的運動意圖,其核心就是將肌電信號轉換為假肢動作信號的一整套算法和信號處理技術。

  

  多功能肌電假肢控制原理

  長期以來,戰爭、疾病、自然災害、交通事故以及其他各種意外傷害造成了成千上萬人的肢體殘疾,而未截肢者安裝假肢是恢復其肢體功能的主要手段。研究和開發先進的假肢及假肢控制系統,改善和提高假肢的操控性能,為眾多截肢者提供智能化、多功能的假肢,能夠極大程度地提高他們的生活品質,增加就業機會。

  

  傳統的假肢系統存在功能單一、操控緩慢、動作笨拙、維護困難等問題。隨著先進的信號處理技術和高性能微處理器的發展,一些先進的假肢控制方法得以實現。表面肌電信號(EMG)由肌肉興奮時所募集的運動單位產生的多個動作電位序列(MUAPT)在皮膚表面疊加而成,是一種非平穩的微弱信號。通過在殘留的肢體肌肉表面采集EMG信號并進行解碼,就能夠獲取截肢者的運動神經信息,識別運動意圖,實現多自由度的假肢控制。

  

  大腦向肢體發出動作信號,肢體做出相應反饋

  眾所周知,大多數截肢患者都存在一種幻覺,認為因截肢而失去的肢體依然存在,這被稱為“幻肢感”,如他們可以想象失去的肢體還可以拿取物品,甚至感受到疼痛等。當截肢者通過想象,用他們的幻肢做某一動作時,大腦產生的運動神經信號使得殘存的肌肉收縮,產生肌電信號。科研人員通過模式識別的方法可以解碼該肌電信號,從而得知截肢者想要做的肢體動作類型,控制系統便可驅動假肢完成相應的動作。研究表明,針對前臂截肢者的情況,該方法對10個不同手臂動作的識別精度高達90%以上。  

  測試者通過意念,控制模特做出相應的動作

  李光林及其團隊研發出的仿生假肢與進口產品相比有兩個突出特點:重量更輕、成本更低。它利用3D打印技術制作,重量僅200克,遠低于同類型假肢500多克的重量,大大減輕了患者的佩戴負擔,方便長期佩戴。最重要的是,其售價也將遠遠低于同類產品。“目前市面上的這種假肢售價都在20-25萬元人民幣之間,多為進口,真正有需要的患者負擔不起。我們開發的這款假肢預計售價僅在3-5萬元人民幣之間,這樣就有更多的人能用上了。”李光林表示。

  

  截肢者可以用意念控制智能假肢拿起礦泉水瓶

  以上是肘關節以下小部分肢體缺失的解決辦法,但如果是肘關節以上截肢的患者怎么辦呢?對于他們,可用于假肢控制信號源的殘留肌肉不多,問題就比較復雜。對于高位截肢者,由于肢體殘留肌肉有限或完全喪失,無法為多功能假肢提供足夠的肌電控制信息,目前最有效的解決方案之一是肢體運動神經分布重建技術。這種技術將殘留的臂叢神經移植到人體肌肉或吻合到替代神經來實現缺失運動功能信號源的重建,對于肩部截肢者,將殘留臂叢神經移植到胸部肌肉,經過數月的生長,臂叢神經便會在胸部肌肉內重建。當截肢者通過想象做幻肢的某一動作時,運動指令會通過臂叢神經傳遞至胸部肌肉并引起胸部肌肉收縮,采集胸部肌肉的EMG控制信息并進行解碼分析,就可以預測截肢者手臂運動意圖,實現對多自由度假肢的神經控制。

肢體運動神經分布重建后,面對指令,肌肉的收縮同樣可以產生相應的反饋

  2015年,我國首個上臂截肢者神經功能重建手術在深圳市南山區人民醫院由李文慶團隊和李光林團隊合作完成,目前患者已康復。手術的成功說明我國已成功掌握了神經功能重建技術。

  

李光林(中)與高位截肢者共同測試肌電信號提取效果

  我國肢體殘疾人口為2412萬人,占總殘疾人口的29.07%,我國累計存活的腦中風患者已達到600-700萬人,其中3/4患者會留下不同程度身體運動殘疾。我國大約有226萬肢體截肢者。“如何用高科技為廣大殘疾人服務,這是我們做人工智能協同研究的科研人員的目標,我們希望研制出低成本、多功能的假肢,讓殘疾人恢復斷肢的功能,重拾對生活的信心,甚至找回肢體健在時的溫暖回憶。”李光林說。目前,這款仿生假肢仍在實驗室階段,未來團隊將繼續改進,以獲得更好的實用性能,早日取得醫療器械注冊證,推向市場。

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