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貼心義肢設計,直覺控制下肢電動義肢

雙側義肢的足球員。義肢的開發和廣泛使用,總是鼓舞人心。
雙側義肢的足球員。義肢的開發和廣泛使用,總是鼓舞人心。Credit: The U.S. [email protected] CC BY 2.0

意念控制義肢

這幾年義肢設計最夯的話題,大概就是用「意念」去控制義肢。用意念控制義肢活動,最主要的關鍵在於將患者體內截肢上方還有的神經段,接到肌肉上,讓腦部的訊號由肌肉表現出來,然後由外部偵側肌肉的訊號來作為控制義肢的基礎,這種方式對於完全截肢的患者,或者原本神經受損的患者,是不錯的方法。這樣的概念,現在不但應用到上肢截肢和車禍神經受傷患者,也有廠商開發下肢的應用產品。值得注意的是「神經轉接特定肌肉」的手術,是這種義肢設計很重要的關鍵。

肌肉動作資訊

對於只有部份截肢的患者,像是膝蓋以下截肢,大腿部份的肌肉還有作用,而大腿和小腿在行走時動作是互相牽連的,也就是說當你行走時,無論是上下階梯,或者走平路,大小腿的肌肉反應是連動的。而這個部份的動作,因為每個人都不盡相同,所以需要客製化來設計。如果能夠測得截肢患者大腿的肌肉動作並進行分析,其數據便能用來控制義肢的小腿和腳踝等關節,就有希望精確模擬已失去患肢的動作。

EMG+步態+機械感應

芝加哥復健中心(Rehabilitation Institute of Chicago)正應用患者殘肢上的「肌電圖」(Electromyography, EMG)訊號來即時控制電動義肢。他們讓失去小腿截肢患者的大腿連接感應器接受EMG訊號,利用「模式識別演算法」(pattern recognition algorithms)來預測患者下一步的行走模式。接受訊號的電極有九個(點這裡看圖片),放置在殘肢的肌肉上,另外有其他機械感應器,像是力量、轉矩等共有十三個嵌入義肢系統中,同時還有替患者先前量測的「步態」(gait)資料。本實驗共有七名患者受測,單側膝蓋以上截肢六名,截肢在膝蓋的患者一名,所有受測者皆進行二十次的行走實驗,包含平地行走、上下坡和階梯(點這裡看圖片),比較僅依據機械感應器訊號控制和加上EMG訊號以及步態資料的表現差異。

完整客製化設計

結果呈現出使用EMG和先前的步態資訊來作即時控制的結果(7.9%),較僅依據機械感應器(14.1%)出現較少的錯誤判斷。這種能夠加入EMG和步態資料的義肢,更作到客製化的量身打造,所以操作更精細。這是在完全被動的傳統義肢和以單純機械感應器訊號反應作控制的義肢外,有了更進一步的發展。

文章參考:JAMA
影片來源:Newsplex Now
圖片來源:The U.S. Army@Flickr  CC BY 2.0
原文來源:JAMA

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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