麻省理工学院的研究人员已经证明，他们可以利用植入肌肉中的微型磁珠，精确追踪肌肉运动。这些测量结果可能让某些截肢人群更容易控制他们的假肢。
数十年来，研究人员一直致力于开发神经假肢，这类假肢利用截肢后残留肌肉中的神经信息来引导假肢运动。对肌肉长度、速度和激活程度的测量可以输入到引导假肢的控制算法中，使下肢截肢者能够以更自然的步态行走，或让上肢截肢者更有效地操纵物体。
直到现在，这类设备都依赖放置在皮肤表面的电极来测量肌肉活动。然而，这些测量结果尚未证明足够可靠，无法在使用神经假肢腿行走时保证安全性。
麻省理工学院的团队希望，他们这套能提供更精确测量结果的新型磁性追踪系统，能够推动此类假肢的商业化开发。
研究人员展示了如何通过无线方式追踪两个磁珠。
“四十年来，神经控制假肢的标准方法一直是使用皮肤电极来测量肌肉激活程度。然而，要控制假肢，必须控制关节位置、扭矩或阻抗，而仅凭电激活信号是无法直接确定这些机械信号的，”媒体艺术与科学教授、麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心联合主任、麻省理工学院麦戈文脑研究所副研究员休·赫尔（Hugh Herr）说，他也是这项新研究的资深作者。
在今天发表于《自然·传感器》（Nature Sensors）的这项新研究中，研究人员在三名小腿截肢的参与者身上展示了磁性测量方法的准确性。
“这种接口的侵入性很小，因此可能适用于更多人。你只需在肌肉中放置两颗磁珠，就能获取关于肌肉动态的丰富信息，”麻省理工学院与哈佛大学健康科学与技术联合项目的研究生、本文的共同第一作者克里斯托弗·沙拉尔（Christopher Shallal）说。
论文的另一位共同第一作者是北卡罗来纳大学教堂山分校生物医学工程助理教授卡梅隆·泰勒（Cameron Taylor），他于2020年在麻省理工学院获得博士学位。
追踪肌肉
多年来，赫尔的实验室一直在开发人机接口，用以使假肢的控制方式更接近自然肢体的使用体验。准确测量使用者在截肢部位如何运动肌肉，对这类假肢的成功至关重要。
皮肤表面的电极可以揭示其下方肌肉的电激活情况，这些测量结果可以转换为对肌肉收缩或弯曲程度的估计。基于这些输入信号，机器人控制器会生成指令，引导假肢按照使用者想要的方向运动。
然而，这种被称为肌电图的测量方法，并不总能提供足够准确的信息。电信号并不能完美代表肌肉的动态变化；例如，当肌肉保持固定长度数秒时，信号会逐渐减弱。此外，电极可能会拾取到目标肌肉之外其他肌肉的信号，而汗液也可能干扰信号的检测。
去年，赫尔及其同事报告了一种“仿生膝关节”假肢，它使用植入肌肉的电极来提供精确测量结果，并将其输入机器人控制器。这种方法在小规模临床研究中证明是成功的，但与此同时，赫尔的团队也一直在研究一种侵入性更小、依靠磁体而非电极的方法。
这种被称为磁性微测量法（magnetomicrometry）的方法，是将成对的磁体植入肌肉中。当肌肉收缩或拉伸时，放置在皮肤上的外部传感器可以测量磁体之间距离的变化，从而计算出肌肉的长度和速度。
“磁体可以在体内进行无线追踪，因此你能够获得非常具体的肌肉信号，并测量肌肉的机械输出，而不需要采用极度侵入性的方式，”沙拉尔说。
更好的控制
在泰勒主导的2021年研究中，赫尔实验室首次在动物模型中验证了这种基于磁体的技术。这项发表于《自然·传感器》的新研究，将该方法扩展到了长期植入磁体的人类受试者身上。研究人员招募了三名小腿截肢的参与者进行此次研究。
所有这些参与者接受的都是一种名为“激动肌-拮抗肌神经肌肉接口”（AMI）的截肢手术方式。通过这种手术方式，肌肉对在手术过程中被重新连接，使它们在残肢内仍能保持动态的相互联系。这种被称为本体感觉的感觉反馈，有助于假肢使用者判断如何定位和移动他们的假肢。
参与者在踝关节的多达四块肌肉中植入了磁体。手术在布里格姆妇女医院进行，由整形外科医生马修·卡蒂（Matthew Carty）合作完成，他也是本研究的共同作者。磁珠直径为3毫米，大小相当于一粒芝麻。这些磁体由钕、铁、硼合金制成，并涂有金和一种名为聚对二甲苯C（parylene C）的聚合物涂层，以确保其生物兼容性。借助一个穿戴在皮肤表面、放置在被追踪肌肉上方的定制外部传感器，磁性信号可以在距皮肤表面最多6厘米的深度被读取。
这项研究中的每位参与者，在接受磁珠植入的同一批肌肉中，也植入了电极。这使研究人员能够比较三种不同测量方式的准确性：磁性微测量法、植入式电极肌电图，以及皮肤表面电极肌电图。
在实验过程中，参与者没有佩戴假肢，而是被要求执行诸如利用肌肉运动将屏幕上的光标移动到特定目标等任务。研究人员利用这三种测量技术，分别将肌肉运动产生的信号转化为控制信号，这些信号在本次实验中用于移动光标，但未来可以输入到机器人踝足假肢的控制器中。
“屏幕上的光标代表了他们将在机器人踝足假肢上控制的自由度。这项虚拟神经假肢任务使我们能够比较不同神经接口的性能表现，而我们的结果表明，基于磁体的方法能够提供更准确、更稳定的控制效果，”沙拉尔说。
研究人员目前正在开展一项规模更大的研究，评估人们利用磁珠提供的测量数据来控制假肢的效果如何。
这项研究部分资金来自麻省理工学院的杨陈集团（Yang Tan Collective），以及美国国家科学基金会的研究生科研奖学金。
