皮下植入傳感器！無需腦部手術也能用意念控制假肢

12月10日消息，Phantom Neuro是一家專注於神經技術的初創公司，正在研發一種突破性的皮下植入物，旨在幫助截肢者更精準、更自然地操控機械假肢。以下爲翻譯內容：

亞歷克斯·史密斯（Alex Smith）在2003年失去了右臂，當時他只有11歲。一名醉酒駕駛船隻的人在奧斯汀湖上與他家的船相撞，導致史密斯落水撞上了螺旋槳，手臂被切斷。

一年後，史密斯裝上了肌電假肢，通過他殘肢肌肉中的電信號來驅動機械臂做出動作。但史密斯很少使用，因爲它反應“非常非常慢”，而且動作幅度有限。他可以張開和握緊那隻假手，但幾乎不能做其他動作。多年來，史密斯試過各種機械假肢，但問題依舊。

史密斯說：“這些假肢的功能性不足。”“從想要執行一個功能到假肢作出實際反應之間有很大延遲。在日常生活中，我發現用其他方式做事反而更快。”

最近，史密斯在試用奧斯汀初創公司Phantom Neuro最新研發的系統，有望實現更實用的假肢控制功能。Phantom Neuro正在開發一種輕薄靈活的肌肉植入物，截肢者只需思考他們想要做出的動作，就能讓假肢實現更寬廣、更自然的動作範圍。

Phantom Neuro首席執行官兼聯合創始人康納·格拉斯（Connor Glass）表示：“很少有人使用機械假肢，這主要是因爲控制系統非常糟糕。”

根據Phantom Neuro提供的數據，公司開展了一項研究，10名志願者使用Phantom Neuro研發的可穿戴式傳感器系統來控制市面上的機械假肢，11種手部和手腕動作的準確率平均爲93.8%。史密斯只是其中一名志願者，其他九名是身體健全的人，這在早期的假肢研究中很常見。這項研究的成功爲將來測試Phantom Neuro的可植入式傳感器鋪平了道路。

史密斯用過的肌電假肢都是從安裝在殘肢上的表面電極讀取電脈衝信號。大多數機械假肢都有兩個電極或記錄通道。當一個人彎曲他的手指時，手臂肌肉也會收縮。即便上肢被截肢了，但假肢佩戴者想要彎曲手指時這些肌肉仍會收縮。電極捕捉到這些肌肉收縮的電信號，解讀後驅動假肢做出動作。但表面電極捕捉電信號不夠穩定，因爲它們容易滑動和移位，在實際環境中會影響到精確度。

現有設備的動作幅度也有限。而且爲了控制這些手勢，假肢佩戴者必須做出無關的動作。比如說，他們可能需要想着向下彎曲手腕才能完成拿捏動作。亞歷克斯現在用的假肢能夠完成大約20種手勢，但他一次只能將4種手勢編程到設備中。更麻煩的是，他必須按順序在這些不同的手勢之間依次切換，這意味着要從手勢A切換到手勢B再到手勢C，而不能從手勢A直接跳到手勢D。

在2020年對上肢截肢者的一項調查中，20.7%的受訪者使用肌電假肢，而74.4%的受訪者使用的是體力機動假肢，後者是靠使用者自身殘肢和健肢的協調動作，帶動牽引索，操縱並控制假手實現抓握提取物件的動作。不同假肢的使用者滿意度沒有明顯差異，在使用肌電假肢的受訪者中，有44%的人最終棄之不用。

Phantom Neuro的目標是將傳感器直接與肌肉連接，讓用戶能更自然地控制肌肉。但公司必須先測試好肌肉傳感器的可穿戴版本，然後才能將設備植入志願者體內。雖然可穿戴版的肌肉傳感器表現良好，但格拉斯表示，日常使用並不理想。像現有的假肢一樣，可穿戴版的肌肉傳感器也容易滑動和移位，影響了準確度，因此需要頻繁重新校準。他說，植入式設備更可靠，並且可能實現更高的精度，因爲它不需要透過皮膚讀取電信號。格拉斯設想通過一個小切口將傳感器插入皮下。

“我們直接從肌肉表面捕捉到電活動信號,”格拉斯解釋說。佩戴者的運動意圖源自大腦，大腦通過外周神經發送電脈衝信號，命令肌肉收縮。對於截肢者而言，這些神經通路仍然完好無損。

在可穿戴設備的研究中，史密斯和其他志願者接受了一小時的培訓，瞭解這項技術，並在第二天進行試驗。試驗當天，經過10分鐘的算法校準後，研究人員要求志願者多次做出11個手勢，包括張開手、握緊拳頭、捏、豎起大拇指、用食指指、食指點擊、手腕向內旋轉以及向外旋轉，而Phantom Neuro的軟件會學習並解碼他們的肌肉信號，將其轉化爲實際動作。對於身體健全的志願者來說，這意味着機械假肢正在模仿他們的手勢。對史密斯而言，假肢完成了他想做的動作。“這是最酷的體驗,”他說。

每位志願者都佩戴着兩塊很薄的傳感器，每塊傳感器有16個電極。手勢解碼的準確率從84.8%到98.4%不等，檢測到電信號到執行手勢的延遲時間不到200毫秒。相比之下，人體神經信號到達肌肉並完成實際動作之間的延遲大約是100毫秒。

克利夫蘭診所（Cleveland Clinic）神經科學家保羅·馬拉斯科（Paul Marasco）研究假肢的自然觸感和運動。他雖然沒有參與Phantom Neuro的項目，但表示：“他們實現這些手勢準確性的速度非常快。”“你越快做到這一點，狀況就越好，整個系統也會更加無縫。”

一些公司正在開發大腦植入物，讓癱瘓患者可以用意念控制假肢。這些所謂的腦機接口讀取和解碼大腦中的信號，使假肢能夠執行規定動作。埃隆·馬斯克（Elon Musk）的初創公司Neuralink上個月宣佈將啓動一項研究，測試大腦植入物是否能讓志願者直接控制機械手臂。

Phantom Neuro公司技術顧問、美國國防高級研究計劃局生物技術辦公室創始主任傑弗裡·林（Geoffrey Ling）說，大腦植入物的風險更大，需要非常長的使用壽命，這樣患者才能避免接受多次腦部手術。“外周神經是一種非常有吸引力的方法，因爲它是微創的，”他說。Phantom Neuro認爲，公司植入物在門診手術就能植入，而且不需要專門的外科醫生。

Phantom Neuro計劃在2025年開始對植入版的肌肉傳感器進行臨牀試驗，屆時將招募上肢截肢者參與研究。史密斯希望自己也能參與其中。如果Phantom Neuro的技術實現商業化，他希望能幫助像自己這樣的截肢者更輕鬆完成日常任務。“我認爲這將徹底改變遊戲規則，”史密斯說。（辰辰）