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文章浏览阅读564次。本文探讨了神经义肢的发展，尤其是下肢假肢如何通过肌电图(EMG)解码残肢肌肉信号以实现更精确的控制。虽然自主控制器的机械进步受限于预编程和手术技术，但EMG控制和新的手术方法如AMI展现了潜在优势。北卡罗来纳州立大学的研究展示了EMG信号在姿势控制中的应用，但仍面临信号质量、学习适应性和噪声等问题。
AI 生成摘要
本文探討了神經義肢的發展，特別是下肢假肢如何透過肌電圖(EMG)解碼殘肢肌肉訊號以實現更精確的控制。儘管自主控制器的機械進步受限於預編程和手術技術，但EMG控制和AMI等新手術方法展現了潛在優勢。北卡羅來納州立大學的研究展示了EMG訊號在姿勢控制中的應用，但仍面臨訊號品質、學習適應性和雜訊等問題。
幾十年來，人類如何靈活自如地操縱神經義肢一直是生物醫學研究的關鍵領域。神經義肢的核心理念是將人類神經系統與機械肢體直接連接，將神經活動轉化為控制信號，使個體能夠向義肢發送指令，從而支持殘疾者的日常運動活動，並更好地與環境交互。
肌電圖（EMG）是解碼殘肢肌肉周圍運動信號的一種方法。EMG信號是動力上肢假肢的常見控制信號，已經使用了50多年。相比之下，對於機械化的、機器人式的下肢假肢的EMG控制仍處於起步階段。
隨著科技的發展，機械式下肢假肢的機械工藝已經變得更加成熟、實用和可行。然而，這些現代機器人設備的功能仍然受到限制。一個主要原因在於這些義肢設備是預先編程的自主機器，無法直接接受用戶的神經信號輸入。例如，德國的OttoBock公司和冰島的Össur公司，它們不依賴於活躍的神經肌肉人體輸入來進行控制，而是使用運動學傳感來驅動預編程活動的自主控制器。這些商業設備基於預定義的狀態，如步態階段（擺動、支撐）和運動模式（爬樓梯、平地行走），來調整膝關節和/或踝關節的阻抗。這種自主假肢在可預測的環境中（如平地）可以積極協助步行運動，但在靈活的日常生活狀態下（如在顛簸的地形上行走）則無法提供積極協助。
另一個重要原因是目前殘肢肌肉-神經連接的手術技術並不成熟。諸如截肢原因、殘肢位置形狀、術後肌肉萎縮等多種因素可能直接影響肌肉的運動單位、本體感受器和傳入神經元的數量，從而影響假肢控制中的EMG信號質量。此外，下肢截肢普遍的手術目標是重塑殘餘肢體，但並未考慮到假肢控制神經接口。
儘管在開發下肢神經義肢的過程中面臨重重困難，研究人員在各個方面都在穩步前進。例如，EMG的解碼算法和控制框架已經取得了顯著的進展。在當前的直接EMG控制中，EMG信號的大小直接而持續地調節假肢關節的動態。各種控制法則可以用於將肌電圖活動持續映射到踝關節控制扭矩，以驅動假肢的動態（見下圖）。研究發現，將EMG信號與內在機械測量（神經肌肉-機械融合）相結合的模式識別顯著提高了運動模式識別的準確性和可靠性，這是通過自主控制難以實現的。EMG控制機器人下肢假肢是備受關注的新領域，在截肢者測試中顯示出了可行性和廣闊的前景。
此外，一種新的手術技術，肌肉-神經拮抗界面（AMI），試圖利用身體天然的本體感覺反饋機制來增強假肢控制和融入感。在AMI中，外科醫生重新連接肌肉-神經的拮抗殘餘肌肉對，以恢復互補肌肉功能。研究顯示，接受AMI手術的個體在使用EMG控制的雙自由度假肢踝關節時，相較於沒有AMI的截肢者，產生了更多的拮抗殘餘肌肉的獨立收縮，並在與步態相關的任務中表現出更好的穩定性。
2023年10月，北卡羅來納州立大學的研究人員開發了一種利用肌電圖（EMG）信號控制的機器人義肢踝關節，旨在為下肢截肢者提供更穩定的支持。該系統迄今已經證明在姿勢控制方面發揮了積極作用，涉及到維持平衡和直立所需的複雜而無意識的動作。“這項工作側重於‘姿勢控制’，這是一個驚人的複雜過程，”該技術的開發人員之一Helen Huang表示。“基本上，當我們保持站立不動時，我們的身體會不斷進行微調以保持穩定。例如，如果有人在我們排隊時碰到我們，我們的腿會進行各種我們可能甚至沒有察覺到的運動，以保持我們直立。我們與截肢者合作，他們告訴我們，通過假肢設備實現這種穩定性是一個重大挑戰。而這項研究證明，通過使用肌電圖（EMG）信號控制的機器人義肢踝關節，用戶可以非常好地實現這種自然穩定性。”“基本上，傳感器被放置在截肢部位的肌肉上”，參與研究的另一名研究員Aaron Fleming解釋道。“當研究參與者思考移動截肢的肢體時，這會通過下肢殘餘肌肉發送電信號。傳感器通過皮膚捕捉這些信號，並將它們轉化為對義肢設備的命令。”
總體而言，機器人下肢假肢的應用使得個體的姿勢更加穩定，並且允許個體改變其姿勢控制策略。這展示了使用EMG控制在機器人下肢假肢中實現新功能的潛力。儘管在未來的研究和臨床應用過程中仍然存在一些問題，比如個體是否能夠產生足夠的肌肉活動、是否能夠學會並適應ENG激活、EMG控制是否會增加個體的心理負擔，以及在日常實踐中EMG信號是否會受到過多噪音等問題，但這也可能引導未來的研究合作，以便為截肢個體構建和轉化真正仿生的下肢，從而提高其生活質量和運動體驗。
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Reference：
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8694273/
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adf5758
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https://ossurcn.com/zh-cn/prosthetics/explore-power-knee
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