多功能假肢神經(jīng)控制與人機交互技術能夠實現(xiàn)靈活、自然的假肢操控，為截肢者恢復肢體功能提供有效幫助。中國科學院深圳先進技術研究院李光林博士團隊依托中國科學院人機智能協(xié)同系統(tǒng)重點實驗室，在神經(jīng)控制多功能假肢系統(tǒng)的研究與開發(fā)上取得了一系列進展。

長期以來，戰(zhàn)爭、疾病、自然災害、交通事故及其他各種意外傷害造成了成千上萬人的肢體殘疾，為截肢者安裝假肢是恢復其肢體功能的主要手段。研究和開發(fā)先進的假肢及假肢控制系統(tǒng)，改善和提高假肢的操控性能，為眾多截肢者提供高性能、智能化、多功能的假肢，不僅可以提高他們的生活品質(zhì)，增加就業(yè)機會，還能極大地降低國家、社會和家庭為他們付出的服務成本。

傳統(tǒng)的假肢系統(tǒng)存在功能單一、操控緩慢、動作笨拙、維護困難等問題。隨著先進的信號處理技術和高性能微處理器的發(fā)展，一些先進的假肢控制方法得以實現(xiàn)。表面肌電（sEMG）信號由肌肉興奮時所募集的運動單位產(chǎn)生的多個動作電位序列（MUAPT）在皮膚表面疊加而成，是一種非平穩(wěn)的微弱信號。通過在殘留肢體肌肉表面采集sEMG信號并進行解碼，能夠獲取截肢者的運動神經(jīng)信息，識別運動意圖，實現(xiàn)多自由度假肢控制。眾所周知，大多數(shù)截肢者都存在一種幻覺，認為因截肢而失去的肢體依然存在，這被稱為“幻肢感”。當截肢者通過“想象”用他們的幻影肢體做某一動作時，大腦產(chǎn)生的運動神經(jīng)信號使殘存肌肉收縮，產(chǎn)生肌電信號。用模式識別的方法解碼該肌電信號，可以得到截肢者想要做的肢體動作類型，控制系統(tǒng)便可驅動假肢完成相應的動作。利用這種控制方法，假肢使用者可以自然而直接地選擇并完成他們想要做的不同肢體動作。研究表明，針對前臂截肢的情況，該方法對10個不同手臂動作的識別精度高達90%以上。中國科學院深圳先進技術研究院李光林博士團隊研發(fā)了一個3自由度的機器人前臂，使用者可以靈活地操控該前臂做6個日常生活中常用的動作，包括4個腕部動作（手腕的彎曲與伸展、內(nèi)旋與外旋）和兩個手部動作（手掌的張開與握緊），實現(xiàn)了前臂假肢的自然控制。

對于高位截肢者，由于肢體殘留肌肉有限或完全喪失，因此不能為多功能假肢提供足夠的肌電控制信息。為此，人們提出了利用神經(jīng)機器接口技術獲取更多的假肢控制信息，其中最有效的技術之一是肢體運動神經(jīng)分布重建技術。神經(jīng)功能重建是將殘留的臂叢神經(jīng)移植到人體肌肉（稱之為靶點肌肉）或吻合到替代神經(jīng)來實現(xiàn)缺失運動功能信號源的重建。對于肩部截肢者，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)便會在胸部肌肉內(nèi)重建。當截肢者通過“想象”做幻影手臂的某一動作時，運動指令會通過臂叢神經(jīng)傳遞至胸部肌肉并引起胸部肌肉收縮。采集胸部肌肉的sEMG并進行解碼分析，就可預測截肢者的手臂運動意圖，實現(xiàn)對多自由度假肢的神經(jīng)控制。運動神經(jīng)重建技術已經(jīng)在多功能神經(jīng)假肢控制中取得了初步成功，并得到了國際學術界的極大關注。李光林博士在美國芝加哥康復研究院全程參與了該技術的研究與開發(fā)。目前，該團隊在國內(nèi)首次開展了肢體運動神經(jīng)分布重建技術研究，取得了一系列的研究成果。

運動和感覺功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是實現(xiàn)假肢手自然、精確抓握物體的關鍵。目前，假肢控制研究主要著重于運動功能的實現(xiàn)；雖然感覺功能也得到了一定的關注，但假肢手仍然不能為使用者提供直覺的感覺神經(jīng)反饋，也不能根據(jù)感覺信息精準調(diào)控抓握動作及力度。手在抓握過程中所涉及的主要感覺信息，如接觸、握緊、滑動、脫離、力度大小等，都與觸覺信息相關。目前的商業(yè)化假肢手并不具備直覺的觸覺神經(jīng)反饋功能，使用者無法自然地感受外界刺激，只能依靠視覺反饋，判斷待抓握物體的軟硬、輕重等信息，估計所需的抓握力度，再發(fā)出包含運動意圖的控制信號（如sEMG信號），驅動假肢手執(zhí)行抓握動作。視覺反饋固然重要，但對于假肢手的精準運動控制卻遠遠不夠。使用者往往無法根據(jù)視覺信息作出準確判斷，抓握力度完全由視覺反饋和人腦反應控制，容易造成“過抓緊”而損壞物體，或“欠抓緊”而使物體滑落。同時，基于視覺反饋的假肢控制需要使用者保持注意力高度集中，容易造成較大的精神負擔。

隨著人機交互技術的進步，研究人員嘗試了多種觸覺反饋方式，包括利用機械振動等信號作用于身體某處的間接刺激、基于神經(jīng)接口技術的感覺皮層電刺激和外周神經(jīng)電刺激等。但間接刺激的反饋方法是非直接、非直覺的，需要長時間的訓練過程來適應，同時還會對正常的肢體運動帶來干擾；而感覺皮層電刺激和外周神經(jīng)電刺激的反饋方法離臨床應用還有較大的差距，刺激電極的生物兼容性問題影響了反饋的長期穩(wěn)定性，且二次手術會帶來風險和成本，也降低了用戶的接受程度。在肢體殘端對殘留神經(jīng)采用表面電刺激的反饋方式既比較直覺，在技術上又容易實現(xiàn)，風險和成本都較低。通過調(diào)整刺激參數(shù)，能將較多的觸覺信息直覺地反饋至截肢者。從低成本、可靠、易于集成、低功耗、用戶接受度高等方面綜合考慮，表面電刺激將是一段時間內(nèi)的研究和應用重點。李光林博士團隊已開展了基于表面電刺激的觸覺反饋研究，初步研究表明，通過在肢體殘端采用不同幅值、頻率、脈寬的電信號對殘留神經(jīng)進行刺激，有望實現(xiàn)直覺、自然的觸覺神經(jīng)反饋。

作者：方鵬、李光林

方鵬，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員

李光林，中國科學院深圳先進技術研究院研究員