新型截肢手术可能使假肢更好地控制

截肢手术感觉反馈

麻省理工学院的研究人员与哈佛医学院(Harvard Medical School)的外科医生合作,设计出了一种新型截肢手术,可以帮助被截肢者更好地控制残留的肌肉并接受感觉反馈。来源:麻省理工学院

在截肢过程中重新连接肌肉对使患者从肢体中更具感觉的反馈。

麻省理工学院研究人员发明了一种新型截肢手术,可以帮助截肢者更好地控制残留肌肉,并感知他们的“幻肢”在太空中的位置。研究人员说,这种恢复的本体感觉应该转化为更好地控制假肢,以及减少肢体疼痛。

在大多数截肢中,切断了控制受影响的关节的肌肉对,例如肘部或脚踝。然而,麻省理工学院团队发现重新连接这些肌肉对,让他们保留正常的推挽关系,为人们提供更好的感官反馈。

“我们的研究和之前的研究都表明,病人动态移动肌肉的能力越好,他们就能更好地控制自己。例如,一个人能越好地激活肌肉来移动他们的假踝,他们就能越好地使用他们的假体,”麻省理工学院博士后、这项研究的主要作者斯里亚·斯里尼瓦桑说。

在2021年2月16日发表的一项研究中美国国家科学院院刊,15名接受这种新型手术的患者,被称为激动剂 - 拮抗剂Myoneural界面(AMI),可以比传统截肢的患者更精确地控制肌肉。AMI患者亦据报道,在受影响的肢体中感到更自由和较少的疼痛。

假肢感觉反馈

麻省理工学院的研究人员与哈佛医学院(Harvard Medical School)的外科医生合作,设计出了一种新型截肢手术,可以帮助被截肢者更好地控制残留的肌肉并接受感觉反馈。来源:麻省理工学院

“再生技术,通过手术和恢复自然agonist-antagonist肌肉运动,我们的研究表明,AMI截肢的人经历更大的幻影关节的活动范围,减少水平的疼痛,假肢的可控性和增加忠诚,”休·赫尔说,媒体艺术与科学学院教授,生物组主管媒体实验室,和论文的资深作者。

本文的其他作者包括Samantha Gutierrez-Arango和Erica以色列,媒体实验室的高级研究支持员工;Ashley Chia-En Teng,一个麻省理工学院本科;Hyungeun Song,哈佛大学卫生科学和技术方案中的研究生;媒体实验室前访问研究员Zachary Bailey;Matthew Carty是媒体实验室的访问科学家;和丽莎释放,媒体实验室研究科学家。

恢复知觉

大多数控制肢体运动的肌肉成对出现,交替拉伸和收缩。这些激动剂-拮抗剂对的一个例子是二头肌和三头肌。当你弯曲肘部时,二头肌收缩,导致三头肌拉伸,拉伸将感觉信息发回大脑。

在常规截肢手术中,这些肌肉的运动受到限制,切断了这种感觉反馈,使得截肢者更难感觉到他们的假肢在空间的哪个位置,或者感觉施加在这些肢体上的力。

“当一个肌肉收缩时,另一个没有其拮抗活动,所以大脑会变得令人困惑的信号,”BioMechatronics集团的前成员在麻省理工学院的科赫综合癌症研究所工作。“即使具有最先进的假体,人们在假肢仍然在视觉上在视觉上试图校准其大脑到设备正在移动的地方。”

几年前,麻省理工学院生物机电组发明并科学开发了临床前研究一种新的截肢技术可以维持这些肌肉对之间的关系。它们并没有切断每一块肌肉,而是连接了肌肉的两端,这样它们仍然可以在残肢内动态地相互交流。在2017年的一次大鼠研究他们表明,当动物收缩一对肌肉时,其他肌肉会伸展并将感官信息延伸回到大脑。

自这些临床前研究以来,大约有25人在布里格姆妇女医院(Brigham and Women 's Hospital)接受了AMI手术,手术由布里格姆妇女医院整形和重建外科医生卡蒂(Carty)完成。在新pnas.在研究中,研究人员测量了15名接受膝关节以下AMI截肢的患者的踝关节和距下关节肌肉运动的精度。这些患者在截肢过程中重新连接了两组肌肉:控制踝关节的肌肉和控制距下关节的肌肉,后者允许脚底向内或向外倾斜。该研究将这些患者与7名接受膝关节以下传统截肢手术的患者进行了比较。

每个病人都是躺着进行评估的,腿支在泡沫枕头上,让他们的脚可以伸到空中。患者在研究期间没有佩戴义肢。研究人员要求他们弯曲踝关节——包括完整的踝关节和“幻肢”踝关节——25、50、75或100%的活动范围。每条腿上的电极可以让研究人员在每次重复运动时测量特定肌肉的活动。

研究人员将来自截肢肢体中的肌肉的电信号与完整肢体的肌肉进行了比较,发现为AMI患者,它们非常相似。他们还发现,AMI截肢的患者能够比传统截肢患者更精确地控制其截肢肢体的肌肉。传统截肢的患者更有可能在他们被截肢的肢体中进行相同的运动,无论他们被要求弯曲他们的脚踝。

斯里尼瓦桑说:“AMI患者控制这些肌肉的能力比那些典型截肢患者更直观,这在很大程度上与他们的大脑处理幻肢运动的方式有关。”

在一个最近出现在科学转化医学研究人员报告说,对AMI截肢患者的大脑扫描显示,他们比传统截肢患者从残留的肌肉中获得更多的感觉反馈。在目前正在进行的工作中,研究人员正在测量这种能力是否可以在行走时更好地控制假肢。

行动自由

研究人员还发现了它们未预期的效果:AMI患者报告的疼痛较小,令人截肢四肢的运动自由度更大。

“我们的研究没有专门旨在实现这一目标,但这是一种衷心的主体,我们一遍又一遍地表达。Srinivasan说,他们对他们的脚实际上觉得和它在太空中移动的东西有更大的感觉。““它越来越明显明显,恢复他们正常生理的肌肉不仅对假肢控制有益,而且对他们的日常心理健康有益。”

研究小组还开发了一种改良版的手术,可以在已经接受过传统截肢手术的人身上进行。这一过程被称为“再生心肌梗死”,包括移植小肌段作为截肢关节的激动肌和拮抗肌。他们还致力于开发用于其他类型截肢的AMI程序,包括在膝盖上方以及肘部上下。

“我们正在学习这种重新推动肢体的这种技术,以及使用备件重建肢体,正在工作,它适用于身体的各个部位,”Herr说。

参考:2021年2月16日,Shriya S. Srinivasan, Samantha Gutierrez-Arango, Ashley Chia-En Teng, Erica Israel, Hyungeun Song, Zachary Keith Bailey, Matthew J. Carty, Lisa E. Freed和Hugh M. Herr的《神经接口架构使截肢后的运动控制和残肢功能得到增强》美国国家科学院院刊
DOI:10.1073 / PNAS.2019555118

这项研究是由麻省理工学院媒体实验室联盟资助的;国家卫生研究院的国家儿童健康和人类发展研究所和国家医疗康复研究中心;国会指导了美国国防部的医学研究项目。

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