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受切斷手術的人群目前可以使用仿生手臂實現真實手臂的各種活動,這一切是通過「思維」進行控制的。這種仿生手臂是由美國芝加哥復原協會托德·凱肯研製的,它通過健康的運動神經與大腦相連接,從而實現殘缺手臂的功能。這些健康的運動神經將重新連接至身體的其他部位,比如:胸腔的神經脈衝變化可由仿生手臂的電極所獲得。當患者決定移動手臂時,神經將發送信息至像真手一樣的「仿生手臂」。目前,凱肯的研究小組正在致力於提高手臂性能,使用倖存的感測器神經與患者大腦控制仿生手臂的溫度、振動和壓力感知系統進行通信溝通。

1 仿生手臂 -簡介

仿生手臂仿生手臂

 芝加哥康復研究所(Rehabilitation Institute of Chicago,簡稱RIC)向公眾介紹了首位將要安裝「仿生手臂」的女性。因摩托車事故進行左臂肩部截肢手術的克勞迪婭·米切爾,現在只需在頭腦里想「拉開抽屜」,就可以用義肢拉開抽屜了。能夠用自己的思維控制義肢進行複雜的動作,這為截肢患者開闢了全新的世界。要達到這個效果,其裝置設備——無論是外科水平上,還是技術水平上——和結果一樣令人叫絕。 「仿生手臂」成為現實,主要歸功於截肢手術的兩個因素。首先,即便是某些自主肌已經截除,無法控制,腦的運動皮層(控制自主肌的運動)仍然能夠發出控制信號;第二,截肢時,並未切除所有曾經向該肢體運載信號的神經。也就是說,即便手臂已經切除,可以正常工作的神經末梢依然存在,它們在肩部中斷,無處發送信息。如果將這些神經末梢重定向到某個可以正常工作的肌群,當患者想「用手抓扶手」時,大腦便會向與手之間傳遞信息的神經發出相應的信號,這些信號作用於這個可以正常工作的肌群,而非壞死的肩部末端肌群。   

2 仿生手臂 -基本原理

 

仿生手臂仿生手臂

 重定向神經系統並不是一項簡單的工作。RIC研究所的托德·庫伊肯(Todd Kuiken)醫生開發了一種名為「目標肌肉神經移植術」的技術。這項技術的基本原理是,外科醫生將肩部切開,進入控制肘部、腕部、手等手臂關節的神經末梢。然後,在不破壞神經的情況下,將神經末梢重新定向到可以正常工作的肌群。RIC的「仿生手臂」病例中,外科醫生將神經末梢與胸肌相連。這些神經需要耗費數月時間才能完全長入肌肉,並與肌肉建立良好的連接。最終結果是控制信號的重新定向:運動皮層照常通過神經通道發出控制手臂和手的信號,但是這些信號已不再到達肩部,而是抵達胸部。   

為使用這些信號控制仿生手臂,RIC在胸肌表面放置了電極。每根電極控制用於移動義肢關節的六個電機中的一個。患者想「張手」時,大腦便會向相應的神經發出「張手」的信號,並最終定位於胸部。神經末梢接收到該信號時,所定位的胸肌開始收縮。當「張手」的胸肌開始收縮時,相應的電極會檢測到這個激活作用,並啟動控制仿生手的馬達。由於各神經末梢定位於胸肌不同的部分,佩戴仿生手臂的患者就可以同時啟動六個電機,使義肢形成比較自然的動作。

3 仿生手臂 -副作用

但是,這種「仿生手臂」也有一定的「副作用」。米切爾發現,如果胸前移植神經的地方接觸到任何有溫度的物體,都會使她想起已經失去的左臂,並同樣產生冷或熱的感覺。 

4 仿生手臂 -靠思維支配

目前,世界上最先進的仿生手臂可使傷殘患者活動自如,甚至能感受到冷暖變化。

在對克勞迪婭·米切爾進行的200萬英鎊仿生修復術中,醫生在她的大腦和傷殘肩膀建立神經連接,使她能夠通過思維控制這隻機械手臂。目前,傷殘的手臂又恢復了知覺,能夠感知冷暖。米切爾曾是美國海軍士兵,在2004年一次機動車事故中失去了手臂。由於傷殘程度很重,傷殘處已接近肩膀位置,她已不具備傳統修復術中能夠控制機械手臂的神經組織。在一種叫做「神經定向再分佈(targeted reinnervation)」的外科技術下,她靜態肩膀神經灌輸到胸部,遠離其肩膀受損區域。

現在當米切爾想移動手臂時,她的大腦發送一個信號至胸部肌肉即可實現。發明神經定向再分佈技術的美國博士托德·凱肯說,「我們通過這項最新技術使其手臂恢復正常!」從她胸部肌肉發送的電脈衝能夠傳輸至仿生手臂,計算機能夠將電脈衝進行解碼,然後轉換成為手臂動作。

通過大腦思維控制,米切爾可以彎曲手腕,靈活地移動拇指,緊握手指。她說,「之前人們認為我無法實現的日常基本任務,現在都已成為可能了!」但是這種高級仿生手臂也會帶來一些「不便之處」,2006年她做完彌補手術后的四個月,米切爾在熱水淋浴時熱水燙到了她的胸部,她卻感到自己的仿生手臂在作痛。她發現對自己胸部觸摸施壓或者接觸較冷、較熱物體,這樣的壓力和溫度變化都可讓仿生手臂感受到。這是因為醫生不僅移除了運動神經,還移除了感官神經。

在美國芝加哥復原協會工作的凱肯告訴美國廣播公司新聞頻道記者說,「克勞迪婭是第一次接受該仿生手臂治療的患者,手術中我們有意將她手掌感官神經移到其胸部皮膚組織。」該協會觸覺專家保羅·馬拉斯科繪製了米切爾手掌感官響應其胸部的神經路線。基於米切爾胸部的觸覺感知,他說,「當仿生手臂關節彎曲時,米切爾會有皮膚被拉伸的感覺。」

目前,研究人員希望能夠進一步提升仿生彌補技術,他們下一個研究目標是讓仿生手臂具有知覺,凱肯博士說,「當你安裝仿生手臂接觸一些物體時,你會感覺這就像自己的肉體手臂。當你端起一咖啡時,你能夠感受到它是熱的。」

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