引言
在過去的幾個世紀裡，研究人員和工程師們一直在努力開發能夠完全模拟生物腿靈活性和功能的人工腿替代品。然而，由于步态控制需要複雜的神經系統協調，這種仿真在截肢後變得尤為困難。傳統的仿生腿通常依賴于預定義的機器人控制架構，通過有限狀态機（finite state machine）和模式識别（pattern recognition）方法來生成仿生步态。這些系統通常将步态和地形類型分為離散狀态，并通過檢測目前狀态來回放預定義的步态算法，而無需使用者的持續神經調節。盡管目前的仿生腿技術在一定程度上模仿了生物腿的運動，但它們仍然依賴于内在步态控制技術，而不能完全由人類神經系統驅動。這限制了仿生腿在複雜環境中的适應能力和響應速度。為了實作與完整生物肢體相當的功能，仿生腿需要高帶寬的神經調節能力，以滿足步态需求，包括自适應的足部定位、沖擊吸收和跨越不同地形時的推進。在生物完整腿中，傳入神經信号（afferent signals）是步态控制的關鍵回報機制之一。這些信号由肌肉和腱的感覺器官（sensory organs）産生，提供關于肢體位置和運動的資訊，幫助神經系統進行精确的運動控制和調整。然而，标準截肢手術通常會移除大量的遠端組織，導緻重要的運動感覺傳入信号喪失，使得步态控制變得更加複雜。為了解決這一問題，7月1日Nature Medicine的報道“Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation”，提出了一種新的神經假體接口，通過手術連接配接的拮抗肌（agonist-antagonist muscles）和肌肉傳感電極來增強殘餘肌肉的傳入信号。研究團隊假設，這種增強的傳入信号可以通過連續的神經控制恢複截肢者的生物仿生步态。在臨床研究中，七名接受了這種新型神經假體接口的腿部截肢者表現出了顯著的步态改善，其最大步行速度提高了41%，達到了與未截肢者相當的峰值速度。這項研究的重要性在于它不僅展示了通過增強殘餘肌肉傳入信号可以顯著改善截肢者的步态控制，還揭示了神經假體技術在恢複截肢者生活品質方面的巨大潛力。通過這種創新的神經假體接口，截肢者能夠在多種地形和步行速度下實作自然的、生物仿生的步态，進而更好地适應日常生活中的各種挑戰。這一發現為未來神經假體的設計和開發提供了新的思路，強調了在截肢手術中保留和增強殘餘肌肉傳入信号的重要性。通過将殘餘肌肉傳入信号增強與仿生肢體結合使用，截肢者可以實作更加自然和有效的步态控制，進而更好地恢複運動功能和獨立性。
截肢後如何恢複患者的正常行走功能一直是醫學和工程學界的難題。現有的仿生腿雖然在一定程度上模拟了生物腿的運動，但它們依賴于預定義的機器人控制架構，無法完全由人類神經系統驅動，進而限制了其在複雜環境中的适應能力和響應速度。該研究提出了一種創新的神經假體接口，通過增強殘餘肌肉傳入神經信号，實作截肢者生物仿生步态的恢複。
在完整的生物腿中，傳入神經信号（afferent signals）是步态控制的關鍵回報機制。這些信号由肌肉和腱的感覺器官（sensory organs）産生，提供關于肢體位置和運動的資訊，幫助神經系統進行精确的運動控制和調整。标準截肢手術通常會移除大量的遠端組織，導緻重要的運動感覺傳入信号喪失，使得步态控制變得更加複雜。本研究假設，通過手術連接配接的拮抗肌（agonist-antagonist muscles）和肌肉傳感電極，可以增強殘餘肌肉的傳入信号，進而恢複截肢者的生物仿生步态。
為了驗證這一假設，研究團隊開發了一種神經假體接口，該接口由外科連接配接的拮抗肌和配備的肌肉傳感電極組成。該研究共招募了14名單側膝下截肢者（平均年齡47.6歲，截肢後平均時間3.9年）。所有參與者均熟練使用标準的被動假肢，能夠以不同的步态節奏行走。研究排除了一些有潛在健康問題的個體，包括冠心病、慢性阻塞性肺疾病和廣泛的微血管受損者，以及孕婦和吸煙者 。參與者被分為兩組，一組接受神經假體接口（AMI，Agonist-antagonist Myoneural Interface），另一組為對照組（CTL，Control）。在實驗過程中，研究人員利用表面肌電圖（EMG）和超聲傳感器記錄參與者殘餘肌肉的肌束應變資料，并通過計算模型估算肌肉傳入信号的帶寬 。為了評估假體的步态适應性，研究團隊進行了多種步态測試，包括不同速度的平地行走、斜坡和樓梯的适應，以及障礙物的跨越 。在地面行走測試中，每個受試者被指導在10米長的開放走廊上行走，記錄其行走時間以評估行走速度。研究團隊還進行了坡道和樓梯适應測試，受試者被告知以自選速度開始行走，逐漸減少使用扶手并加速，直到找到能夠安全保持穩定步态的最大速度 。
神經假體接口的設計原理、工作機制及其在增強殘餘肌肉傳入信号、實作仿生步态方面的效果（Credit: Nature Medicine）
神經假體接口的結構圖： 圖示展示了神經假體接口的組成部分，包括拮抗肌（agonist-antagonist muscles）、皮膚上安裝的柔性肌電圖（EMG）電極和仿生踝關節。拮抗肌通過手術連接配接，用于增強殘餘肌肉的傳入信号。仿生腿完全由人類神經系統驅動： 圖中顯示了通過增強殘餘肌肉傳入信号，仿生腿在步态循環的每個階段都能夠實作持續的神經調節，進而實作生物仿生步态。仿生踝關節的背屈（dorsiflexion）和跖屈（plantar flexion）在整個步态周期中由連續的神經控制，而不依賴于狀态機或模式識别算法等内在步态控制技術。神經假體接口的工作原理： 圖示解釋了神經假體如何通過壓力梯度将機械資訊傳遞給神經系統。在地面接觸期間，假肢套筒内的壓力梯度機械地刺激了殘餘組織，進而提供額外的傳入信号，這可能有助于傳感運動适應（sensorimotor adaptation）。增強殘餘肌肉傳入信号： 通過神經假體接口，拮抗肌的傳入信号得到顯著增強，與對照組相比，傳入信号增加了。四名對照組的肌肉傳入信号在作為拮抗肌工作時增加，導緻拮抗肌傳入信号出現負值。神經假體系統元件： 圖示列出了自主神經假體的元件，包括：仿生踝關節的電機單元，用于記錄肌電信号的便攜式肌電圖傳感器單元，與假肢襯裡相連接配接的電極，仿生踝關節的生理模拟。神經假體的控制機制： 圖示說明了如何利用TA（胫前肌）和GAS（腓腸肌）的肌電信号來連續控制仿生踝關節。通過文獻中關于最大肌肉力量-長度和力量-速度特性的經驗值，計算每個關節狀态下仿生踝關節的最大關節力矩上限。此外，測量的關節狀态還用于估算被動生物結構（如韌帶和關節囊）的力矩貢獻。
在實驗中，AMI組的最大行走速度從CTL組的1.25米每秒增加到1.78米每秒，增長了41%。在坡道行走測試中，AMI組在坡度下降時的峰值功率增加了178%，在坡度上升時的峰值功率增加了197% 。在樓梯測試中，AMI組在下樓時的負峰值功率顯著增加，而上樓時的正峰值功率也顯著增加 。這些資料表明，增強的殘餘肌肉傳入信号能夠顯著改善截肢者的步态控制和适應能力。在平地行走測試中，AMI組的步态對稱性（LEK symmetry）在三種行走速度下均表現出顯著的提高，表明其步态更加穩定和自然 。此外，AMI組在障礙物跨越測試中的足部定位和恢複步态的機械響應也表現出顯著的改善，顯示出其在複雜環境中的适應能力 。
該研究證明了通過增強殘餘肌肉傳入信号，神經假體接口能夠顯著改善截肢者的步态控制，恢複其生物仿生的步态。該研究的重要性在于展示了神經假體技術在恢複截肢者生活品質方面的巨大潛力。未來的研究和開發可以基于這些發現，進一步優化神經假體接口，增強其在實際應用中的效果。這一成果不僅推動了神經假體技術的發展，也為截肢者提供了新的希望，使他們能夠恢複更高的運動功能和獨立性 。
通過這一創新的神經假體接口，截肢者能夠在多種地形和步行速度下實作自然的、生物仿生的步态，進而更好地适應日常生活中的各種挑戰。這一發現為未來神經假體的設計和開發提供了新的思路，強調了在截肢手術中保留和增強殘餘肌肉傳入信号的重要性。通過将殘餘肌肉傳入信号增強與仿生肢體結合使用，截肢者可以實作更加自然和有效的步态控制，進而更好地恢複運動功能和獨立性 。
參考文獻
Song H, Hsieh TH, Yeon SH, Shu T, Nawrot M, Landis CF, Friedman GN, Israel EA, Gutierrez-Arango S, Carty MJ, Freed LE, Herr HM. Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation. Nat Med. 2024 Jul 1. doi: 10.1038/s41591-024-02994-9. Epub ahead of print. PMID: 38951635.https://www.nature.com/articles/s41591-024-02994-9
責編|探索君
排版|探索君
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