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美国delsys肌电实现“意念指挥” 假肢听话应用灵活

  原标题:有了意念当“指挥” 假肢也能很“听话”

美国delsys肌电实现“意念指挥” 假肢听话应用灵活

  人可以用大脑的意念控制物体吗?

  “阿凡达”可以变成现实吗?

  一位失去手臂的残疾人可以用意念控制假肢运动并拿取物品吗?

  有了美国delsys表面肌电测试仪,这些都不是幻想。答案也是肯定的!


美国delsys表面肌电测试系统

  16通道的表面肌电加上48通道加速度采集分析系统。带运动伪影抑制(专利)的传感器,可以自由运动, 传感器端直接无线发射数据,测试者不携带传感器以外的接收器,无线传输用独特的传输协议,从传感器端到接受器或电脑没有任何电缆连接。接收器可通过USB接口与电脑连接传输数据。肌电描记法的新样式。EMG传感器与3D加速度传感器混合在同一个传感器上,这种革命性的混EMG/运动,以可靠的方式提供前所未有的数据组合。其新型设计具有产品预期的无可匹敌的高品质性能,还可以在一个软件包中自由记录噪音源。

  

  中国科学院深圳先进技术研究院神经工程研究中心研究员李光林及其团队研发的多功能仿生假肢,就是让这一切成为现实的高科技“法宝”。虽然是靠意念控制假肢,但并非直接从大脑处获得控制指令,而是利用患者肌肉表面的电信号(肌电信号,EMG)来控制假肢的运动。该方法通过肌电信号解码识别人的运动意图,其核心就是将肌电信号转换为假肢动作信号的一整套算法和信号处理技术。

  

  多功能肌电假肢控制原理

  长期以来,战争、疾病、自然灾害、交通事故以及其他各种意外伤害造成了成千上万人的肢体残疾,而未截肢者安装假肢是恢复其肢体功能的主要手段。研究和开发先进的假肢及假肢控制系统,改善和提高假肢的操控性能,为众多截肢者提供智能化、多功能的假肢,能够极大程度地提高他们的生活品质,增加就业机会。

  

  传统的假肢系统存在功能单一、操控缓慢、动作笨拙、维护困难等问题。随着先进的信号处理技术和高性能微处理器的发展,一些先进的假肢控制方法得以实现。表面肌电信号(EMG)由肌肉兴奋时所募集的运动单位产生的多个动作电位序列(MUAPT)在皮肤表面叠加而成,是一种非平稳的微弱信号。通过在残留的肢体肌肉表面采集EMG信号并进行解码,就能够获取截肢者的运动神经信息,识别运动意图,实现多自由度的假肢控制。

  

  大脑向肢体发出动作信号,肢体做出相应反馈

  众所周知,大多数截肢患者都存在一种幻觉,认为因截肢而失去的肢体依然存在,这被称为“幻肢感”,如他们可以想象失去的肢体还可以拿取物品,甚至感受到疼痛等。当截肢者通过想象,用他们的幻肢做某一动作时,大脑产生的运动神经信号使得残存的肌肉收缩,产生肌电信号。科研人员通过模式识别的方法可以解码该肌电信号,从而得知截肢者想要做的肢体动作类型,控制系统便可驱动假肢完成相应的动作。研究表明,针对前臂截肢者的情况,该方法对10个不同手臂动作的识别精度高达90%以上。  

  测试者通过意念,控制模特做出相应的动作

  李光林及其团队研发出的仿生假肢与进口产品相比有两个突出特点:重量更轻、成本更低。它利用3D打印技术制作,重量仅200克,远低于同类型假肢500多克的重量,大大减轻了患者的佩戴负担,方便长期佩戴。最重要的是,其售价也将远远低于同类产品。“目前市面上的这种假肢售价都在20-25万元人民币之间,多为进口,真正有需要的患者负担不起。我们开发的这款假肢预计售价仅在3-5万元人民币之间,这样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矿泉水瓶

  以上是肘关节以下小部分肢体缺失的解决办法,但如果是肘关节以上截肢的患者怎么办呢?对于他们,可用于假肢控制信号源的残留肌肉不多,问题就比较复杂。对于高位截肢者,由于肢体残留肌肉有限或完全丧失,无法为多功能假肢提供足够的肌电控制信息,目前最有效的解决方案之一是肢体运动神经分布重建技术。这种技术将残留的臂丛神经移植到人体肌肉或吻合到替代神经来实现缺失运动功能信号源的重建,对于肩部截肢者,将残留臂丛神经移植到胸部肌肉,经过数月的生长,臂丛神经便会在胸部肌肉内重建。当截肢者通过想象做幻肢的某一动作时,运动指令会通过臂丛神经传递至胸部肌肉并引起胸部肌肉收缩,采集胸部肌肉的EMG控制信息并进行解码分析,就可以预测截肢者手臂运动意图,实现对多自由度假肢的神经控制。

肢体运动神经分布重建后,面对指令,肌肉的收缩同样可以产生相应的反馈

  2015年,我国首个上臂截肢者神经功能重建手术在深圳市南山区人民医院由李文庆团队和李光林团队合作完成,目前患者已康复。手术的成功说明我国已成功掌握了神经功能重建技术。

  

李光林(中)与高位截肢者共同测试肌电信号提取效果

  我国肢体残疾人口为2412万人,占总残疾人口的29.07%,我国累计存活的脑中风患者已达到600-700万人,其中3/4患者会留下不同程度身体运动残疾。我国大约有226万肢体截肢者。“如何用高科技为广大残疾人服务,这是我们做人工智能协同研究的科研人员的目标,我们希望研制出低成本、多功能的假肢,让残疾人恢复断肢的功能,重拾对生活的信心,甚至找回肢体健在时的温暖回忆。”李光林说。目前,这款仿生假肢仍在实验室阶段,未来团队将继续改进,以获得更好的实用性能,早日取得医疗器械注册证,推向市场。

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