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大脑植入设备后,四肢瘫痪的病人能走了

时间:2019-11-06 作者:Nitin Dahad 阅读:
法国研究人员开发了一种能藉由纪录与译码大脑信号来控制病患四肢外骨骼的植入式设备,能实时记录人脑的活动并将这些生理脉冲用来驱动外骨骼...
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有如科幻小说的产物,法国Grenoble的一个实验室开发出一种可植入人体的无线设备,让28岁的四肢瘫痪病人能利用大脑内的脑机接口以及外骨骼(exoskeleton)走路,并且控制两只手臂;以长期的眼光看来,这种技术可望为严重活动障碍者带来更大的移动能力。

四肢瘫痪是由脊髓病变所导致,疾病使得患者控制四肢的神经系统受到阻碍。为了要恢复这些行动不便的患者恢复活动力,法国Grenoble研究机构CEA的Clinatec实验室研究人员与Grenoble大学附设医院医师,合作开发了一种能藉由纪录与译码大脑信号来控制病患四肢外骨骼的植入式设备,能实时记录人脑的活动并将这些生理脉冲用来驱动外骨骼。

这是四肢瘫痪病人第一次成功利用这种能记录、传输与译码大脑信号的神经义肢(neuroprosthetic)来走路。这个Clinatec的“脑机接口”(Brain Computer Interface,BCI)项目研究成果,不久前刊登于医学期刊《The Lancet Neurology》。

Clinatec研究成果的主要创新之处,在于该设备能提供长期性的高分辨率脑电活动,与移动意图相关的这种活动会实时无线传输到一部计算机进行译码,以控制外骨骼让病患四肢活动。为记录大脑的感觉运动皮质(sensorimotor cortex)区域的脑电活动所开发出的植入式医疗设备名为WIMAGINE,是植入于颅骨的低侵入式设备。

WIMAGINE以64个电极组成的数组以硬脑膜(dura mater)──某种围绕大脑以及部份脊髓的膜──接触,以记录脑电图(electrocorticograms,ECoG)。设备的电路板包含脑电图撷取与数字化系统,由法国研究机构CEA-Leti的微电子专家所设计,搭配透过安全无线电链接到外部基地台的远程电源与无线数据传输系统。

该植入设备的封装可确保长期性的生物兼容性与安全性,并已通过严格的测试,以符合欧盟的主动植入式医疗设备指令(Active Implantable Medical Devices)。
AI-brain.png
Clinatec实验室开发的外骨骼。
(来源:Clinatec)

植入式设备所记录的脑电图会被实时译码,以判别病患所想要的移动方式;译码后的传输信号会控制相对应的外骨骼肢体。而译码脑电图需要开发高度复杂的人工智能(AI)与机器学习(ML)算法,还需要能实时控制外骨骼运动的软件。

专长智能数字系统的CEA-List也参与了WIMAGINE设备的开发,该团队负责外骨骼的四肢设计,特别考虑到四肢瘫痪病人与外骨骼之间的互动,以实现安全的动作。此项目的长期目标是定义其脑机界面能应用与那些领域,以协助不同型态的运动障碍病患独立生活,例如能自己驾驶轮椅,或是控制义肢。

Clinatec的董事会主席暨神经外科医生Alim-Louis Benabid是WIMAGINE设备开发团队的一员,他表示,此设备是协助肢体障碍者自立的重要一步,团队对于此概念验证成果非常自豪,并正在考虑新应用,好让严重运动障碍的患者日常生活更轻松。

在获得主管机关授权后,该设备已经在一位28岁的四肢瘫痪病人身上进行临床实验;该脊髓病变患者在大脑的上感觉运动皮质区域左右两侧、硬脑膜上方各植入了一个WIMAGINE设备,并在手术后以27个月的时间练习控制外骨骼做出不同的动作。

这名病患每周会在家里以虚拟环境中的外骨骼化身练习三次,每个月会有一个星期的时间到Clinatec实际使用外骨骼。当穿上悬挂式的外骨骼,他能成功走出好几步,并以3D控制上肢,还能在站着或坐着的时候选转手腕。

能提供此种自由度的神经义肢概念验证,为病患能自行在家于日常生活中使用这种设备开启了一扇大门;Clinatec团队正在整合新的效应器(effectors),例如轮椅,并着手开发更强韧且精密的算法,以实现更复杂的动作。团队希望接下来能实现包括拿取物品等任务,并透露接下来几年还会有其他三位病患加入临床实验。

编译:Judith Cheng 责编:Luffy Liu

参考原文:Brain Implant Enables Thought Control, Mobilizes Tetraplegic,by Nitin Dahad

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Nitin Dahad
EE Times欧洲记者。Nitin Dahad是EE Times的欧洲记者。
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