皮下植入传感器！无需脑部手术也能用意念控制假肢

12月10日消息，Phantom Neuro是一家专注于神经技术的初创公司，正在研发一种突破性的皮下植入物，旨在帮助截肢者更精准、更自然地操控机械假肢。以下为翻译内容：

亚历克斯·史密斯（Alex Smith）在2003年失去了右臂，当时他只有11岁。一名醉酒驾驶船只的人在奥斯汀湖上与他家的船相撞，导致史密斯落水撞上了螺旋桨，手臂被切断。

一年后，史密斯装上了肌电假肢，通过他残肢肌肉中的电信号来驱动机械臂做出动作。但史密斯很少使用，因为它反应“非常非常慢”，而且动作幅度有限。他可以张开和握紧那只假手，但几乎不能做其他动作。多年来，史密斯试过各种机械假肢，但问题依旧。

史密斯说：“这些假肢的功能性不足。”“从想要执行一个功能到假肢作出实际反应之间有很大延迟。在日常生活中，我发现用其他方式做事反而更快。”

最近，史密斯在试用奥斯汀初创公司Phantom Neuro最新研发的系统，有望实现更实用的假肢控制功能。Phantom Neuro正在开发一种轻薄灵活的肌肉植入物，截肢者只需思考他们想要做出的动作，就能让假肢实现更宽广、更自然的动作范围。

Phantom Neuro首席执行官兼联合创始人康纳·格拉斯（Connor Glass）表示：“很少有人使用机械假肢，这主要是因为控制系统非常糟糕。”

根据Phantom Neuro提供的数据，公司开展了一项研究，10名志愿者使用Phantom Neuro研发的可穿戴式传感器系统来控制市面上的机械假肢，11种手部和手腕动作的准确率平均为93.8%。史密斯只是其中一名志愿者，其他九名是身体健全的人，这在早期的假肢研究中很常见。这项研究的成功为将来测试Phantom Neuro的可植入式传感器铺平了道路。

史密斯用过的肌电假肢都是从安装在残肢上的表面电极读取电脉冲信号。大多数机械假肢都有两个电极或记录通道。当一个人弯曲他的手指时，手臂肌肉也会收缩。即便上肢被截肢了，但假肢佩戴者想要弯曲手指时这些肌肉仍会收缩。电极捕捉到这些肌肉收缩的电信号，解读后驱动假肢做出动作。但表面电极捕捉电信号不够稳定，因为它们容易滑动和移位，在实际环境中会影响到精确度。

现有设备的动作幅度也有限。而且为了控制这些手势，假肢佩戴者必须做出无关的动作。比如说，他们可能需要想着向下弯曲手腕才能完成拿捏动作。亚历克斯现在用的假肢能够完成大约20种手势，但他一次只能将4种手势编程到设备中。更麻烦的是，他必须按顺序在这些不同的手势之间依次切换，这意味着要从手势A切换到手势B再到手势C，而不能从手势A直接跳到手势D。

在2020年对上肢截肢者的一项调查中，20.7%的受访者使用肌电假肢，而74.4%的受访者使用的是体力机动假肢，后者是靠使用者自身残肢和健肢的协调动作，带动牵引索，操纵并控制假手实现抓握提取物件的动作。不同假肢的使用者满意度没有明显差异，在使用肌电假肢的受访者中，有44%的人最终弃之不用。

Phantom Neuro的目标是将传感器直接与肌肉连接，让用户能更自然地控制肌肉。但公司必须先测试好肌肉传感器的可穿戴版本，然后才能将设备植入志愿者体内。虽然可穿戴版的肌肉传感器表现良好，但格拉斯表示，日常使用并不理想。像现有的假肢一样，可穿戴版的肌肉传感器也容易滑动和移位，影响了准确度，因此需要频繁重新校准。他说，植入式设备更可靠，并且可能实现更高的精度，因为它不需要透过皮肤读取电信号。格拉斯设想通过一个小切口将传感器插入皮下。

“我们直接从肌肉表面捕捉到电活动信号,”格拉斯解释说。佩戴者的运动意图源自大脑，大脑通过外周神经发送电脉冲信号，命令肌肉收缩。对于截肢者而言，这些神经通路仍然完好无损。

在可穿戴设备的研究中，史密斯和其他志愿者接受了一小时的培训，了解这项技术，并在第二天进行试验。试验当天，经过10分钟的算法校准后，研究人员要求志愿者多次做出11个手势，包括张开手、握紧拳头、捏、竖起大拇指、用食指指、食指点击、手腕向内旋转以及向外旋转，而Phantom Neuro的软件会学习并解码他们的肌肉信号，将其转化为实际动作。对于身体健全的志愿者来说，这意味着机械假肢正在模仿他们的手势。对史密斯而言，假肢完成了他想做的动作。“这是最酷的体验,”他说。

每位志愿者都佩戴着两块很薄的传感器，每块传感器有16个电极。手势解码的准确率从84.8%到98.4%不等，检测到电信号到执行手势的延迟时间不到200毫秒。相比之下，人体神经信号到达肌肉并完成实际动作之间的延迟大约是100毫秒。

克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）神经科学家保罗·马拉斯科（Paul Marasco）研究假肢的自然触感和运动。他虽然没有参与Phantom Neuro的项目，但表示：“他们实现这些手势准确性的速度非常快。”“你越快做到这一点，状况就越好，整个系统也会更加无缝。”

一些公司正在开发大脑植入物，让瘫痪患者可以用意念控制假肢。这些所谓的脑机接口读取和解码大脑中的信号，使假肢能够执行规定动作。埃隆·马斯克（Elon Musk）的初创公司Neuralink上个月宣布将启动一项研究，测试大脑植入物是否能让志愿者直接控制机械手臂。

Phantom Neuro公司技术顾问、美国国防高级研究计划局生物技术办公室创始主任杰弗里·林（Geoffrey Ling）说，大脑植入物的风险更大，需要非常长的使用寿命，这样患者才能避免接受多次脑部手术。“外周神经是一种非常有吸引力的方法，因为它是微创的，”他说。Phantom Neuro认为，公司植入物在门诊手术就能植入，而且不需要专门的外科医生。

Phantom Neuro计划在2025年开始对植入版的肌肉传感器进行临床试验，届时将招募上肢截肢者参与研究。史密斯希望自己也能参与其中。如果Phantom Neuro的技术实现商业化，他希望能帮助像自己这样的截肢者更轻松完成日常任务。“我认为这将彻底改变游戏规则，”史密斯说。（辰辰）