delsys肌電實(shí)現(xiàn)“意念指揮” 聽話假肢靈活應(yīng)用

　　原標(biāo)題：有了意念當(dāng)“指揮” 假肢也能很“聽話”

delsys肌電實(shí)現(xiàn)“意念指揮” 聽話假肢靈活應(yīng)用

　　人可以用大腦的意念控制物體嗎?

　　“阿凡達(dá)”可以變成現(xiàn)實(shí)嗎?

　　一位失去手臂的殘疾人可以用意念控制假肢運(yùn)動(dòng)并拿取物品嗎?

　　有了美國delsys表面肌電測試儀，這些都不是幻想。答案也是肯定的!

美國delsys表面肌電測試系統(tǒng)

　　16通道的表面肌電加上48通道加速度采集分析系統(tǒng)。帶運(yùn)動(dòng)偽影抑制(專利)的傳感器，可以自由運(yùn)動(dòng)， 傳感器端直接無線發(fā)射數(shù)據(jù)，測試者不攜帶傳感器以外的接收器，無線傳輸用獨(dú)特的傳輸協(xié)議，從傳感器端到接受器或電腦沒有任何電纜連接。接收器可通過USB接口與電腦連接傳輸數(shù)據(jù)。肌電描記法的新樣式。EMG傳感器與3D加速度傳感器混合在同一個(gè)傳感器上，這種革命性的混EMG/運(yùn)動(dòng)，以可靠的方式提供前所未有的數(shù)據(jù)組合。其新型設(shè)計(jì)具有產(chǎn)品預(yù)期的無可匹敵的高品質(zhì)性能，還可以在一個(gè)軟件包中自由記錄噪音源。

　　中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院神經(jīng)工程研究中心研究員李光林及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多功能仿生假肢，就是讓這一切成為現(xiàn)實(shí)的高科技“法寶”。雖然是靠意念控制假肢，但并非直接從大腦處獲得控制指令，而是利用患者肌肉表面的電信號(hào)(肌電信號(hào)，EMG)來控制假肢的運(yùn)動(dòng)。該方法通過肌電信號(hào)解碼識(shí)別人的運(yùn)動(dòng)意圖，其核心就是將肌電信號(hào)轉(zhuǎn)換為假肢動(dòng)作信號(hào)的一整套算法和信號(hào)處理技術(shù)。

　　多功能肌電假肢控制原理

　　長期以來，戰(zhàn)爭、疾病、自然災(zāi)害、交通事故以及其他各種意外傷害造成了成千上萬人的肢體殘疾，而未截肢者安裝假肢是恢復(fù)其肢體功能的主要手段。研究和開發(fā)先進(jìn)的假肢及假肢控制系統(tǒng)，改善和提高假肢的操控性能，為眾多截肢者提供智能化、多功能的假肢，能夠極大程度地提高他們的生活品質(zhì)，增加就業(yè)機(jī)會(huì)。

　　傳統(tǒng)的假肢系統(tǒng)存在功能單一、操控緩慢、動(dòng)作笨拙、維護(hù)困難等問題。隨著先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和高性能微處理器的發(fā)展，一些先進(jìn)的假肢控制方法得以實(shí)現(xiàn)。表面肌電信號(hào)(EMG)由肌肉興奮時(shí)所募集的運(yùn)動(dòng)單位產(chǎn)生的多個(gè)動(dòng)作電位序列(MUAPT)在皮膚表面疊加而成，是一種非平穩(wěn)的微弱信號(hào)。通過在殘留的肢體肌肉表面采集EMG信號(hào)并進(jìn)行解碼，就能夠獲取截肢者的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信息，識(shí)別運(yùn)動(dòng)意圖，實(shí)現(xiàn)多自由度的假肢控制。

　　大腦向肢體發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，肢體做出相應(yīng)反饋

　　眾所周知，大多數(shù)截肢患者都存在一種幻覺，認(rèn)為因截肢而失去的肢體依然存在，這被稱為“幻肢感”，如他們可以想象失去的肢體還可以拿取物品，甚至感受到疼痛等。當(dāng)截肢者通過想象，用他們的幻肢做某一動(dòng)作時(shí)，大腦產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)使得殘存的肌肉收縮，產(chǎn)生肌電信號(hào)�？蒲腥藛T通過模式識(shí)別的方法可以解碼該肌電信號(hào)，從而得知截肢者想要做的肢體動(dòng)作類型，控制系統(tǒng)便可驅(qū)動(dòng)假肢完成相應(yīng)的動(dòng)作。研究表明，針對(duì)前臂截肢者的情況，該方法對(duì)10個(gè)不同手臂動(dòng)作的識(shí)別精度高達(dá)90%以上�！　�

　　測試者通過意念，控制模特做出相應(yīng)的動(dòng)作

　　李光林及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的仿生假肢與進(jìn)口產(chǎn)品相比有兩個(gè)突出特點(diǎn)：重量更輕、成本更低。它利用3D打印技術(shù)制作，重量僅200克，遠(yuǎn)低于同類型假肢500多克的重量，大大減輕了患者的佩戴負(fù)擔(dān)，方便長期佩戴。最重要的是，其售價(jià)也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品�！澳壳笆忻嫔系倪@種假肢售價(jià)都在20-25萬元人民幣之間，多為進(jìn)口，真正有需要的患者負(fù)擔(dān)不起。我們開發(fā)的這款假肢預(yù)計(jì)售價(jià)僅在3-5萬元人民幣之間，這樣就有更多的人能用上了�！崩罟饬直硎�。

　　截肢者可以用意念控制智能假肢拿起礦泉水瓶

　　以上是肘關(guān)節(jié)以下小部分肢體缺失的解決辦法，但如果是肘關(guān)節(jié)以上截肢的患者怎么辦呢?對(duì)于他們，可用于假肢控制信號(hào)源的殘留肌肉不多，問題就比較復(fù)雜。對(duì)于高位截肢者，由于肢體殘留肌肉有限或完全喪失，無法為多功能假肢提供足夠的肌電控制信息，目前最有效的解決方案之一是肢體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)分布重建技術(shù)。這種技術(shù)將殘留的臂叢神經(jīng)移植到人體肌肉或吻合到替代神經(jīng)來實(shí)現(xiàn)缺失運(yùn)動(dòng)功能信號(hào)源的重建，對(duì)于肩部截肢者，將殘留臂叢神經(jīng)移植到胸部肌肉，經(jīng)過數(shù)月的生長，臂叢神經(jīng)便會(huì)在胸部肌肉內(nèi)重建。當(dāng)截肢者通過想象做幻肢的某一動(dòng)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)指令會(huì)通過臂叢神經(jīng)傳遞至胸部肌肉并引起胸部肌肉收縮，采集胸部肌肉的EMG控制信息并進(jìn)行解碼分析，就可以預(yù)測截肢者手臂運(yùn)動(dòng)意圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)多自由度假肢的神經(jīng)控制。

肢體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)分布重建后，面對(duì)指令，肌肉的收縮同樣可以產(chǎn)生相應(yīng)的反饋

　　2015年，我國首個(gè)上臂截肢者神經(jīng)功能重建手術(shù)在深圳市南山區(qū)人民醫(yī)院由李文慶團(tuán)隊(duì)和李光林團(tuán)隊(duì)合作完成，目前患者已康復(fù)。手術(shù)的成功說明我國已成功掌握了神經(jīng)功能重建技術(shù)。

李光林(中)與高位截肢者共同測試肌電信號(hào)提取效果

　　我國肢體殘疾人口為2412萬人，占總殘疾人口的29.07%，我國累計(jì)存活的腦中風(fēng)患者已達(dá)到600-700萬人，其中3/4患者會(huì)留下不同程度身體運(yùn)動(dòng)殘疾。我國大約有226萬肢體截肢者�！叭绾斡酶呖萍紴閺V大殘疾人服務(wù)，這是我們做人工智能協(xié)同研究的科研人員的目標(biāo)，我們希望研制出低成本、多功能的假肢，讓殘疾人恢復(fù)斷肢的功能，重拾對(duì)生活的信心，甚至找回肢體健在時(shí)的溫暖回憶。”李光林說。目前，這款仿生假肢仍在實(shí)驗(yàn)室階段，未來團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)改進(jìn)，以獲得更好的實(shí)用性能，早日取得醫(yī)療器械注冊(cè)證，推向市場。

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