意念控制、有感覺的新型義肢

圖片來源: pixabay

撰文/陳敦理

全世界每年有超過 100萬人由於意外、疾病(如糖尿病)、先天異常、戰爭等因素喪失手臂或腿、腳需要截肢。傳統義肢的缺點為活動不方便,加上底座、支撐附件的結構會造成使用民眾肢體擠壓造成疼痛或過敏,而產生紅腫、搔癢。除此之外有些截肢民眾會出現幻肢痛。幻肢痛是病患會感覺到切除的肢體好像還在,而且會有灼熱、針刺、絞痛或癢等感覺。值得慶幸的是科學家已成功研發新型態的義肢,它不但可以直覺式的用意念控制,只要想著把手掌打開,義肢的手掌就打開,用義肢拿東西還會有感覺,能夠在日常生活的各領域。

●新型義肢整合許多先進科技

瑞典查爾莫斯理工大學 (Chalmers University of Technology) 與其他大學、醫院、科技公司的研究團隊聯手打造新型義肢,不但把目前所能掌握的先進科技做到非常高度的整合,還加入新功能。有三名手肘上方截肢的瑞典男性安裝新型的肌肉骨骼神經 (neuromusculoskeletal) 義肢手臂系統,他們的年齡都在四十到五十歲左右,其中兩人使用傳統義肢都有幻肢痛。參與實驗的民眾需要動手術來安裝稱為 e- OPRA的移植系統,透過 e- OPRA系統會模擬人體原本的手臂可以雙向傳送訊息到大腦和義肢。安裝過程採用稱為骨整合 (osseointegration) 的較新技術把新型義肢固定在截肢處的骨頭上。骨整合技術把新型義肢一小部份移植到手臂骨頭裡,讓骨細胞接觸到義肢表面,經過一段時間黏附、癒合、鈣化,最後手臂骨頭會與義肢緊密嵌合在一起。另外還需要將電極移植到控制手部動作的二頭肌、三頭肌與相關的幾條神經,為了讓義肢發揮最好的效果,這幾條神經會轉移接到特定位置。最新的觸覺功能是透過義肢拇指的力度感測器,一旦使用民眾用手觸摸物品,感測器偵測產生訊號就會回傳到義肢的控制系統,再轉換成人體神經訊號傳到大腦,產生壓力感覺。所以病患不但可以感覺到他們在觸碰物體,還會察覺他們使用多大的力氣。

●新型義肢最大挑戰是人機介面

新型義肢與傳統義肢的最大不同處,在於這種新型義肢經過手術把電極直接連接到病患骨骼、神經、肌肉上,所有的電子零件都整合在義肢裡面,不用攜帶額外的元件或電池。在研發過程中最困難的地方其實不是製造產生觸覺的力度感測器,而是要設計製作能夠將收集進來大量人工訊號流暢沒有停頓傳送到人體神經系統的人機介面 (human-machine interface)。

人體與機器對於訊息處理的運作方式完全不同,原本是沒有辦法溝通合作,所以新型義肢透過人機介面協助身體與機器互動,人機介面一方面要幫助身體下達給機器的指令,另一方面還要把機器收集到的訊息回傳給身體。像是原本人體手臂控制手部動作時,神經訊息的路徑是從大腦往脊髓、神經傳導,達到手部肌肉收縮產生動作。新型義肢的運作方式則是在病患用意念控制義肢、神經訊息會傳送到經過整合在義肢內的人機介面控制系統,再運用複雜人工智慧 AI演算法把神經訊息轉譯過的訊號傳送到義肢產生動作。新型義肢內建的這種永久固定式人機介面還能提供科學家對人體肌肉、神經系統運作的研究,探索人體全新的可能性。

新型義肢用意念控制、還能產生感覺對於義肢模擬真正人體手臂十分重要,讓使用者的動作更加精確,還能同時得到感覺、動作的資訊,操作自然不費力。參與研究的民眾其中兩位原本有幻肢痛,在使用新型義肢後,不再感到被截肢的部位疼痛,這是因為原本手臂截斷閒置的神經又恢復運作。等到使用民眾漸漸習慣義肢的感覺功能,也會愈來愈能分辨不同強度觸覺的微小差異。

然而新型義肢目前還只能用在手肘以上截肢的病患,而且要去瑞典進行手術安裝,費用也十分昂貴。不過這種以意念控制有感覺功能的新型義肢經過多年試驗證實安全性、可靠性都沒問題,不需要研究人員在旁協助,能夠用在生活各層面,連戶外活動要去滑雪、泛舟、釣魚都沒問題,已經進入臨床實驗階段。等到新型義肢逐漸普遍、成本降低、甚至納入健康保險給付,讓有需要的民眾能無負擔地使用,大大翻轉需求者的生活品質。

 

參考資料
1、Max Ortiz-Catalan, Enzo Mastinu, Paolo Sassu, et al. Self-Contained Neuromusculoskeletal Arm Prostheses. New England Journal of Medicine, 2020.
2、柳永青。人性化的生活品質:友善的人機介面。《科學發展》,2012。

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