癱瘓病人肌肉運動意圖也能產(chǎn)生相應控制信號

分類：

行業(yè)動態(tài)

產(chǎn)品動態(tài)

作者：

維拓啟創(chuàng)

來源：

腦機接口社區(qū)

發(fā)布時間：

2023-12-11 00:00

訪問量：

　　四肢癱瘓患者一般表現(xiàn)為四肢都失去運動能力，對他們來說，最迫切的需求是恢復獨立運動。神經(jīng)系統(tǒng)的器質(zhì)性病變目前來說一般是不可逆的，所以很難通過恢復神經(jīng)系統(tǒng)到最初功能的方式完全治愈癱瘓，所以人們一般將目光轉(zhuǎn)向基于腦機接口(BCI)的機器人手臂和外骨骼，但如何實現(xiàn)對這些機器人設備的精確控制以達到“人機合一”的效果一直以來是各研發(fā)單位迫切想解決的問題。

　　大腦和脊髓中的運動神經(jīng)元可以傳遞有關運動意圖的信息，基于BCI一般依靠這些信息控制輔助設備，如計算機、輪椅和機器人控制器，但是為了獲得這些信號的精確時空特性往往要依靠植入微電極，盡管現(xiàn)在的皮層內(nèi)BCI已經(jīng)可以達到安全有效，但其復雜手術過程和創(chuàng)傷性還是阻礙了它的推廣。卡內(nèi)基梅隆大學機械工程系和神經(jīng)科學研究所的教授Doug Weber與一個國際研究小組合作，探索利用肌電信號(EMG)來預測四肢癱瘓者的預期手勢的可能性。來自倫敦帝國學院、俄亥俄州的巴特爾紀念研究所和匹茲堡大學的合作者參與了該項目。其研究結果發(fā)表在《神經(jīng)生理學雜志》上。

實驗設計

　　實驗自主開發(fā)了一種袖陣列來記錄前臂肌肉的EMG，受試在14年前遭受了脊髓損傷，他在實驗中將接受要求嘗試彎曲和伸展手指的命令，但其無法做出任何實質(zhì)動作，檢測此時前臂肌肉EMG，并將其分解為單個活動運動單元的活動，檢測到的EMG信號中當受試嘗試伸展手指時其EMG較隨意伸展腕關節(jié)時弱。

實驗結果

　　下圖為正常運動和嘗試屈伸運動時單極肌電熱圖

　　下圖為模擬運動單元的在線分解與分類實現(xiàn)

　　盡管沒有產(chǎn)生可觀察到的手部運動，但在個別手指的嘗試性運動和明顯的手腕和肘部運動中，可以觀察到損傷水平以下的運動神經(jīng)元活動自主聚集，說明在任務的屈曲或伸展階段，運動單元的亞群是共同作用的，且兩種情況下的分類準確率中位數(shù)都大于75%。該研究證明了一個可穿戴的傳感器陣列可以檢測嚴重頸椎損傷(SCI)后癱瘓肌肉的殘存運動單元活動。

　　韋伯說："我們在實驗室所做的很多工作都集中在協(xié)助人們恢復運動功能，這些功能對完成日?；顒邮潜夭豢缮俚?quot;，“我們在工程和神經(jīng)科學的交叉點上工作，試圖研發(fā)出與身體功能產(chǎn)生連接的設備，并繞過因受傷或疾病而受損的神經(jīng)系統(tǒng)區(qū)域。"，這也正是BCI系統(tǒng)的定義和意義。

　　各種各樣的傷害都可能導致癱瘓或喪失運動能力，如中風、脊髓損傷等，有些直接傷害大腦控制中樞，有些損傷信號傳輸通路。傳統(tǒng)的理解是，脊髓損傷切斷了連接，而信號永遠無法到達肌肉，因此人們認為四肢癱瘓的人將無法產(chǎn)生可檢測到的EMG。而韋伯說："我們想挑戰(zhàn)因脊髓損傷而癱瘓的肌肉無法表達EMG的固有概念，這其中可能有表明運動意圖的信號"，“我們使用了一個嵌入150個傳感器的袖子，可以覆蓋整個前臂，試圖找到即使在微弱到無法產(chǎn)生物理動作的肌肉中潛在的肌電信號。

　　商用HDEMG貼片與可穿戴袖筒陣列的記錄過程比較

　　匹茲堡大學生物工程博士候選人、論文第一作者Jordyn Ting說：“我們的參與者被要求執(zhí)行一項不可能的任務，但我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，每一次看似失敗的移動嘗試都會在肌肉活動中產(chǎn)生微小但明顯的爆發(fā)。”這對穿戴式設備技術是一個突破，為肌肉運動意圖神經(jīng)元實現(xiàn)外部設備控制提供了一個可靠的解釋和潛在的研究方向。

參考鏈接

　　Jordyn E. Ting et al, Sensing and decoding the neural drive to paralyzed muscles during attempted movements of a person with tetraplegia using a sleeve array, Journal of Neurophysiology (2021). DOI: 10.1152/jn.00220.2021

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