BrainGate神经接口系统可以让瘫痪者控制机械臂

用思想来控制机械臂

一位58岁的妇女,因中风瘫痪了近15年,她用她的思想控制一个机械手臂,抓住一瓶咖啡,给自己倒一杯,然后把瓶子放回桌子上。

脑-机接口、修复神经技术和辅助机器人技术的进步导致了一项新的研究报告,当使用BrainGate神经接口系统时,两名四肢瘫痪的患者能够用他们直接通过大脑活动控制的机械手臂在三维空间中抓取物体。

普罗维登斯,罗德岛(棕色大学) - 2011年4月12日,她瘫痪近15年,一个女人通过思考移动她的手臂和手来抬起一瓶咖啡来控制一个机器人手臂并喝一杯。成就是脑 - 计算机接口,恢复性神经技术和辅助机器人技术的进步之一,在第17版的期刊中描述的自然BrainGate2是由退伍军人事务部、布朗大学、马萨诸塞总医院、哈佛医学院和德国航空航天中心(DLR)的研究人员合作开发的。

一名58岁的女性(S3)和一名66岁的男性(T2)参与了这项研究。多年前,他们都因脑干中风而瘫痪,失去了对四肢的控制。在研究中,参与者通过神经活动直接控制两个不同的机械臂,一个由DLR机器人和机械电子研究所开发,另一个由DEKA研发公司开发,在广阔的三维空间中执行伸手和抓取任务。BrainGate2试点临床试验采用了最初由布朗大学开发的试验性BrainGate系统,在该系统中,一个婴儿阿司匹林大小的设备与96个微小电极的网格被植入运动皮质——大脑的一部分,参与自主运动。电极距离单个神经元足够近,可以记录与预期运动相关的神经活动。外部计算机将一群神经元的脉冲模式转换为操作辅助设备的命令,如《自然》杂志上报道的DLR和DEKA机器人手臂。

“大脑之门”的参与者先前已经演示了基于神经的二维点击控制电脑屏幕上的光标和简单机器人设备的基本控制。

这项研究是四肢瘫痪患者使用大脑信号在三维空间中控制机械臂来完成通常由手臂完成的任务的第一次演示和第一次同行评审报告。具体来说,S3和T2通过灵活的支撑物控制手臂去够和抓住放置在它们前面的泡沫目标。此外,S3使用DLR机器人拿起一瓶咖啡,把它送到嘴边,发出倒咖啡的命令,用吸管喝咖啡,然后把瓶子放回桌子上。在她的“大脑之门”(braingate)功能下,在饮酒任务中,机器人手臂需要在桌面上进行二维运动,再加上一个“抓取”命令,即抓取、抬起或倾斜机器人的手。

“我们在这项研究中的目标是开发将恢复瘫痪或肢体损失的人的独立和流动性的技术,”领先作者Leigh Hochberg博士,神经发动机和关键护理神经科医生,在退伍军人事务部门,棕色大学,马萨诸塞州综合医院和哈佛大学。他是Braingate2试验临床试验的赞助商调查员。“We have much more work to do, but the encouraging progress of this research is demonstrated not only in the reach-and-grasp data, but even more so in S3’s smile when she served herself coffee of her own volition for the first time in almost 15 years.”

瘫痪的人可以控制机械臂

即使在近15年后,大脑的一部分由于脑干中风而与原来的目标“断开”,但仍然能够指挥外部手臂复杂、多维的运动。

这项工作的部分资金来自退伍军人管理局,该机构致力于改善受伤退伍军人的生活。退伍军人事务部部长Eric Shinseki说:“退伍军人事务部很荣幸能在这个令人兴奋和有前途的研究领域发挥作用。”“今天的宣布代表着向改善退伍军人和其他失去四肢或瘫痪的人的生活质量迈出了一大步。”

Hochberg补充说,即使在近15年之后,大脑的一部分基本上通过脑干行程从其原始目标断开了“断开连接”仍然能够引导外部臂的复杂,多维运动 - 在这种情况下,在这种情况下,机器人肢体。研究人员还注意到,在植入研究的荆棘电极阵列之后,S3能够在植入研究的荆棘电极阵列之后超过五年。这为长时间植入的脑电脑接口电极仍然可行并且提供了有用的命令信号的新基准。

十多年前,退伍老兵管理局和布朗大学的神经科学家约翰·多诺霍(John Donoghue)是“大脑之门”(BrainGate)的先驱,也是该研究的资深合著者。他说,这篇论文显示了自“大脑之门”首次演示计算机控制以来,脑-机接口领域取得了多大的进展。

布朗脑科学研究所所长多诺霍说:“这篇论文报告了一个重要的进展,它在不止一个参与者身上严格地证明了机器人手臂的精确三维神经控制不仅是可能的,而且是可重复的。”“我们离恢复日常功能明显更近了一步,比如为自己喝一口咖啡,对于那些四肢无法活动的人来说,通常可以通过手臂和手轻松完成。”在我们的一名参与者身上植入BrainGate阵列五年多后,我们还看到了有用的控制,这也让我们感到鼓舞。这项工作是实现长期目标的关键一步,即创造一种神经技术,使瘫痪或肢体丧失的人恢复运动、控制和独立性。”

在这项研究中,机器人充当了每个参与者瘫痪手臂的替代品。当参与者想象要触及每个泡沫目标时,机械臂会对他们的意图做出反应。当参与者想象握紧手时,机器人的手抓住了目标。因为目标的直径超过机器人手开口宽度的一半,该任务要求参与者进行精确的控制。(这些行动的视频可以在《自然》网站上找到。)

在为期4天的158项试验中,48.8%的使用DLR机械臂和手的病例和69.2%使用DEKA机械臂和手的病例中,S3能够在规定的时间内达到目标,DEKA机械臂和手的掌握范围更广。在45次使用DEKA臂的试验中,T2达到目标的几率为95.6%。在成功的接触中,S3使用DLR臂的成功率为43.6%,使用DEKA臂的成功率为66.7%。T2的抓住成功率为62.2%。

T2在与手臂互动的第四天完成了这项研究;前三个会议的重点是系统开发。他用眼睛来指示每一个字母,他后来描述了他对手臂的控制:“我只是想象移动我自己的手臂,(DEKA)的手臂就会移动到我想要它去的地方。”

该研究使用了两个先进的机器人臂:DLR轻量级机器人III与DLR五指手和DEKA臂系统。DLR LWR-III旨在帮助以人员手臂和手和与人类用户互动以及人类用户互动的行为,这可能是有助于各种残疾人的辅助机器人设备。帕特里克van der Smagt,Dlr和TechnischeUniversitätMünchen的仿生机器人和机器学习实验室主任DLR主管,以及本文的一个共同高级作者表示:“这就是我们所希望的这臂。我们想创建一个手臂,可以通过不同的控制形式直观地直观。该臂已经在世界各地的众多研究实验室使用,这些研究实验室使用其独特的互动和安全功能。这是一个令人兴奋的瘫痪瘫痪潜在效用的令人信服的展示。“

DEKA研发开发了DEKA ARM系统,可通过来自美国国防高级研究项目机构的资金(美国国防部高级研究计划局)。Dean Kamen,Deka的创始人表示,“我们对卢克武器的梦想之一[作为Deka ARM系统以非正式形式的方式闻名],因为它的成立是提供一种不仅由外部传感器操作的肢体,而且还通过更多直接思考驱动控制。我们对这些结果感到高兴,并对VA,Brown和MGH的持续研究进行了持续的研究。“该研究旨在学习Deka ARM如何直接从大脑控制,潜在地允许患者更自然地控制这种假肢肢体。

BRAINGATE2神经界面系统

BrainGate2神经接口系统。十多年前首次使用的植入微电极阵列可以检测大脑信号,这些信号可以被计算机翻译成机器指令,从而通过思维控制机器人设备。

在过去的两年里,VA一直在几个地点对Deka假肢臂进行了优化研究,以及失去了一支手臂的退伍军人和现役服务成员的合作。研究的反馈是帮助Deka工程师改进人工臂的设计和功能。“脑电器界面,如荆棘,有可能为未来的假肢武器提供前所未有的功能控制水平,”VA首席研究和发展官员Joel Kupersmith说。“这项创新是最优秀的联邦合作的典范。”

美国国家神经疾病和中风研究所(National Institute of Neurological Disorders and Stroke)所长Story Landis指出:“这项技术是通过对大脑如何控制运动的数十年的投资和研究而实现的。看到这项技术从基础神经生理学的研究发展到临床试验,这是令人激动的。在临床试验中,它显示出了对脑损伤和大脑障碍患者的重大希望。”

除了Hochberg、Donoghue和van der Smagt,论文的其他作者还有Daniel Bacher、Beata Jarosiewicz、Nicolas Masse、John Simeral、Joern Vogel、Sami hadaddin、Liu Jie和Sydney Cash。

图片:布朗大学

自然doi: 10.1038 / nature.2012.10652

2的评论“BrainGate神经接口系统让瘫痪者控制机械臂”

  1. 我丈夫在2010年遭遇了一个脑干中风,在41岁时。您是否有关于如何成为这项研究的一部分的信息?

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