视频 植入磁铁恢复上肢截肢患者的抓取能力
在上述视频当中，可以看出假肢手可以轻松实现拧瓶盖、用刀切物品、抓取球类物品等动作。其实在日常生活中，上肢截肢者面临诸多挑战，包括但不限于手部功能的丧失、自理能力的下降以及社交活动的障碍。现有的传统的假肢技术，尤其是肌电控制的假肢，虽然在一定程度上帮助了截肢者恢复部分功能，但仍存在控制精度低、使用不便、舒适性差等问题。现如今随着时代的发展科技的进步，越来越多的科研学者从实际出发，着力解决现实生活中的问题。比萨圣安娜高等大学仿生机器人研究所Christian Cipriani团队采取一种先进的假肢控制方法肌动接口技术（Myokinetic Interface Technology），在截肢者残肢的肌肉中植入永磁体，并通过磁体定位器（TML）检测肌肉收缩引起的磁体位移，以此作为控制信号来实时控制假肢手部的动作，这一研究成果可以说是为上肢截肢者带来了福音，能够让他们自如的去使用假肢手，更贴近正常人的生活。
相关内容以“Restoration of grasping in an upper limb amputee using the myokinetic prosthesis with implanted magnets”为题发表于《Science》旗下子刊《Science Robotics》。
1.主要内容
图1 临床实施和信号表征
肌动接口通过超声波成像监测了植入的磁体在肌肉收缩时的位置变化，显示了磁体在前臂屈肌和伸肌中的位移。图中还展示了磁体位移与手腕旋转、肘关节屈伸等动作之间的关系，以及磁体定位器（TML）如何通过检测磁体位置变化来实现对手部动作的控制。此外，还进一步分析了不同肌肉活动（如尺侧偏移、桡侧偏移、手腕伸展）对磁体间距离变化的影响，以及这些变化如何被用于假肢手部的直接控制和模式识别控制策略。
图2 肌肉运动的假手
从大脑发出的信号通过神经途径传递到肌肉，引起肌肉形变，进而影响植入磁体的位置；磁体位置的变化被磁体定位器（TML）通过皮肤表面的磁场传感器检测到，随后通过数值求解方法计算出磁体的精确位置和方向，最后，这些位置信息被转换成控制输入，通过直接控制或模式识别策略转化为对机器人手部的命令，实现对手部动作的精确控制。整个系统设计为自包含式，将所有硬件组件和电池集成在假肢插座内，以实现无线、稳定且实时的假肢控制。
图3 直接控制信号和工作流程和模式识别训练数据，在线和离线结果
如图3所示，详细描述了如何将手腕旋转时磁体间位移的变化映射到假肢手的开合动作，以及如何通过设置阈值来实现对手部动作的直接控制和肘部运动引起的干扰的抑制。同时，展示了使用支持向量机（SVM）进行模式识别的分类器训练和测试结果，包括在固定位置和不同手臂姿势下进行的实时虚拟测试，以及能够识别多达16种不同手部动作的离线分类器的准确性。这些结果表明，尽管存在一些挑战，如肘部运动引起的干扰和多次穿戴假肢时的重新训练需求，但所提出的肌动接口能够实现对手部动作的有效控制，并且具有较高的用户适应性和学习性。
图4 功能测试和体力和脑力负荷测试
2.全文总结
本文介绍了一种创新的肌动接口技术，通过在上肢截肢者残肢的肌肉中植入永磁体，并利用磁体定位器（TML）检测肌肉收缩引起的磁体位移，实现了对自包含式肌动假肢手的实时控制。研究团队开发了直接控制和模式识别两种控制策略，通过一系列功能测试和日常活动模拟，验证了该接口在提供直观、灵巧的假肢控制方面的有效性。尽管存在一些技术挑战，如肘关节运动对信号的干扰和多次穿戴假肢时的重新训练需求，但这项研究为上肢截肢者恢复自然、直观的手部控制提供了新的可能性，并为未来假肢技术的发展奠定了基础。
文章来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp3260
