仿生假肢改善截肢者健康

两名志愿者是世界上第一批能够实时感受他们的假脚和假膝的膝上截肢者。他们的仿生假肢是由一个国际研究团队开发的，其特征是连接大腿残余神经的传感器。由此产生的神经反馈极大地减轻了假体使用者的身体和精神压力。

在走路的时候，腿完好的人在移动膝盖或双脚接触地面的时候会有感觉。神经系统不断地利用这种感觉反馈来精确地控制肌肉。然而，使用假肢的人并不知道假肢的确切位置，它是如何移动的，或者它站在什么样的地形上。他们在行走时往往不能完全信任他们的假肢，导致他们过于依赖他们完整的腿，这反过来降低了他们的行动能力，并导致他们很快疲劳。

例如，在鹅卵石或沙滩上简单的行走会让使用假肢的人筋疲力尽。此外，截肢患者可能会经历幻肢疼痛，而现有药物往往无法治疗这种情况。萨沃·帕尔斯(Savo Panic)经历过这种现象，他说自己晚上会因为幻痛而醒来:“我没有的脚趾痛。我的大脚趾、脚、脚跟、脚踝和小腿——它们都很痛，而我却没有它们。”

由苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和瑞士洛桑(lausanne)初创公司SensArs领导的一个国际研究团队，现在已经开发出一种接口，将假肢与用户大腿上的残余神经连接起来，从而提供感官反馈。在与贝尔格莱德大学合作进行的一项研究中，科学家们在两名志愿者身上测试了这种神经反馈系统，他们膝部以上的腿被截肢，并使用假肢(其中一名志愿者是Panic)。

该解决方案使截肢者在许多方面受益。苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所的教授Stanisa Raspopovic说:“这项概念验证研究表明，拥有一个与神经植入一起工作的假肢来恢复感觉反馈，对腿部截肢者的健康是多么有益。”

把人工信号转换成自然信号

为了给神经系统提供感觉信息，科学家们从一种商业上可以买到的高科技假肢开始:他们把触觉传感器安装在假肢脚底上，并收集由假肢的电子膝关节提供的膝关节运动数据。

在实验持续的三个月里，外科医生在每个志愿者的大腿上放置了微型电极，并将它们连接到残留的腿部神经。“手术的目的是在神经内部正确的位置引入电极，以恢复栩栩如生的感觉反馈，并保证电极的稳定性，”Marko Bumbasirevic说，他是位于贝尔格莱德的塞尔维亚临床中心的教授和整形显微外科医生，他是负责电极植入的临床医生。电极是由弗莱堡大学的科学家开发的，假肢来自假肢公司Össur;两人都积极参与了这个项目。

该研究小组开发了一种算法，将触觉和运动传感器的信息转换为电流脉冲——神经系统的语言——然后传递给残余神经。然后由大自然来完成其余的工作:来自残肢神经的信号被传送到人的大脑，这样大脑就能够感知假肢，并帮助使用者相应地调整步态。机器和机身终于连接起来了。

减少幻肢疼痛

作为研究的一部分，志愿者们接受了一系列测试——有神经反馈和没有神经反馈的交替测试。结果非常清楚地表明了这种反馈是多么的有利:用神经反馈走路对身体的要求要低得多，从志愿者走路时耗氧量的显著减少就可以看出。

此外，在精神上，有神经反馈的走动不那么费力，正如研究人员在试验期间通过大脑活动测量显示的那样。志愿者们不需要集中精力在步态上，这意味着他们可以把更多的注意力放在其他任务上。

在一项困难的测试中，志愿者们必须走在沙滩上，而反馈再次让他们走得更快。在调查中，志愿者们表示神经反馈极大地增加了他们对假肢的信心。

与神经系统的接口也可以用来刺激神经独立于假体。在试验开始之前，两名志愿者都抱怨过幻肢痛。经过一个月的神经刺激疗法，科学家们成功地减轻了其中一名志愿者的疼痛;另一种是惊恐，疼痛完全消失了。他说:“自从我开始这个治疗项目以来，在接受了电刺激后，我感觉不到任何幻肢痛。”

科学家们乐观地看待这些结果。然而，他们指出，为了提供更可靠的数据，他们可以利用这些数据得出更重要的结论，需要进行更长的调查，包括家庭评估和更多的志愿者。在有时间限制的临床研究中，来自假体的信号通过电缆穿过皮肤传到大腿的电极上。这意味着志愿者必须接受定期的医疗检查。为了消除这种需求，科学家们打算开发一种完全可植入的系统。SensArs首席执行官弗朗西斯科·佩特里尼(Francesco Petrini)说:“在SensArs，我们计划开发一种无线神经刺激设备，可以像起搏器一样完全植入患者体内，并可以推向市场。”