导 语
近日，北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校进行的一项最新研究：神经控制的机器人假肢脚踝可以让截肢者更加自然地移动，从而提高他们的稳定性。这一研究成果发表在国际学术期刊《Science Robotics》上。
1、研究背景
下肢截肢的人失去了肢体与日常环境互动的能力。截肢者通过假肢装置重新行走，这些假肢装置通常是机械被动的，具有预定的刚度，主要用于储存和返回能量。然而，截肢者的日常生活包含许多需要在缺失肢体处主动产生能量的活动，而目前已有的假肢装置在这些任务期间很难提供主动支持。
2、研究概述
目前的控制方式大多适合于生物力学定义良好、可预测的运动行为。然而，这种自主控制不适合于在需要预备性调整(例如预见性姿势调整(APA))或需要难以预定义的全身协调(例如补偿性姿势调整(CPA))情况下假肢的运动情况。
APA对于维持平衡至关重要，人体知道即将发生扰动与不知道发生扰动时的稳定性反应有很大区别。这些意志的前馈动作减轻了CPA的负担，而CPA负责在扰动已经发生后保持平衡。所以，需要一种控制方式来解决人体APA和CPA的问题，使假肢运动稳定性更好。
在这项研究中，研究人员使用肌电图传感器（位于截肢部位的肌肉上）来捕获肌肉弯曲时产生的电活动，从而告诉假肢要弯曲哪块人造肌肉以及弯曲的程度。这些传感器在截肢者的假肢接受腔中放置，改善姿势控制和稳定性，使他们能够以更加自然的方式移动。
图1：假肢机器人负荷试验（图片来源于论文）
研究参与者在进行实验时，模拟日常生活中可能的扰动，如接球或拿起杂货。在这些情况下，他们需要快速作出反应以保持平衡。使用传统假肢时，参与者需要迈出一步来应对这些干扰，但使用神经控制假肢，他们可以更轻松地保持静态姿势，减少了跌倒的风险。
图2：负荷试验示意图（图片来源于论文）
在有预期的推拉试验中，与被动条件相比，dEMG条件下的假肢参与者的稳定性测量值有明显改善，参与者产生了预期的调整他们的质心（CoM）对扰动的方向，这与正常人参与者CoM的变化类似。
在代偿性“保持”时间内(t=1~2S期间平均值)，实验观察到正常人和dEMG控制组(P=0.516)有相似的距离漂移(P=0.516)，但与被动假肢(P=0.004)无关。
图3：正常人和假肢参与者对推动扰动的平均反应（图片来源于论文）
使用dEMG控制的假肢受试者在前后(AP)和内侧(ML)方向上的压力中心(COP)漂移也比被动装置有所改善。在扰动之前，正常人个体有一个静息的趾屈扭矩(t=−0.5S)，并在扰动前产生预期的扭矩变化。在扰动开始后不久(t=0 S)，个体主要用右腿产生背屈扭矩。使用dEMG控制的假肢参与者也从他们的假肢和正常肢体产生类似水平的扭矩。
在实验中观察到了平衡策略的明显变化，使用dEMG控制与被动控制相比，在使用dEMG时，三名受试者主要使用踝关节策略，膝关节和髋关节的偏移相对较小，踝关节的偏移量较大。另外两名TT受试者使用混合策略，同时从所有关节偏移。与被动控制相比，这些参与者仍然改善了假肢和完整肢踝关节偏移之间的同步性。
图4：使用被动和 dEMG 控制假肢脚踝推动扰动期间的平衡策略（图片来源于论文）
为了研究神经协调，参与者还被要求执行姿势摇摆任务，同时从下肢的双侧肌肉记录肌电图信号。为了说明个体基础上的神经协调变化，绘制了一名代表性正常人参与者（AB1）和一名代表性假肢参与者（TT5）的肌肉模块结构和激活系数。当TT5使用其被动装置时，我们观察到单个前肌的显著贡献（虽然主要是后部肌肉被激活，但完整的股直肌贡献最大），当使用dEMG控制假肢脚踝时，这种贡献明显较小。在dEMG条件下使用的肌肉在肌肉结构和激活系数方面与AB参与者中观察到的肌肉明显相似。
图5：代表性参与者肌肉模块结构和激活系数（图片来源于论文）
3、研究意义
这一研究具有重要的临床意义，因为它为截肢者提供了更多的选择，可以提高他们的生活质量。研究团队计划扩大试验规模，以进一步验证这一技术的有效性。这一研究为未来的医疗技术和康复工作提供了新的方向，为截肢者带来了更多希望。
参考文献：Aaron Fleming, Wentao Liu, He (Helen) Huang. Neural prosthesis control restores near-normative neuromechanics in standing postural control. Science Robotics, 2023; 8 (83) DOI: 10.1126/scirobotics.adf5758
