新型截肢手术可能会更好地控制假肢

麻省理工学院的研究人员与哈佛医学院的外科医生合作，设计了一种新型截肢手术，可以帮助截肢者更好地控制其残余肌肉并获得感觉反馈。

截肢期间重新连接肌肉对可为患者提供更多来自肢体的感觉反馈。

麻省理工学院的研究人员发明了一种新型截肢手术，可以帮助截肢者更好地控制其残余肌肉并感知其“幻肢”在太空中的位置。研究人员说，这种恢复的本体感觉应该可以更好地控制假肢，并减轻肢体疼痛。

在大多数截肢手术中，控制受影响关节的肌肉对（例如肘部或踝部）会被切断。但是，麻省理工学院的研究小组发现，重新连接这些肌肉对，使其保持正常的推拉关系，可以为人们提供更好的感觉反馈。

“我们的研究和以往的研究均表明，越能动态运动肌肉的患者越多，他们将获得更多的控制权。举例来说，一个人可以更好地驱动移动其幻影踝关节的肌肉，那么他们实际使用假肢的能力就越强。”研究的主要作者，麻省理工学院的博士后Shriya Srinivasan说。

在2021年2月16日发表于《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，接受这种新型手术的15名患者被称为激动剂-拮抗者肌神经接口（AMI），其肌肉控制能力比传统截肢患者。AMI患者还报告了受影响的肢体感觉活动自如，疼痛减轻。

麻省理工学院的研究人员与哈佛医学院的外科医生合作，设计了一种新型截肢手术，可以帮助截肢者更好地控制其残余肌肉并获得感觉反馈。

“通过外科手术和再生技术可恢复自然的激动剂-拮抗剂肌肉运动，我们的研究表明，患有AMI截肢的人会产生更大的幻象关节活动范围，减轻的疼痛程度以及假肢可控性的保真度，”他说。休·赫尔（Hugh Herr），媒体艺术与科学教授，媒体实验室生物机电一体化小组负责人，也是该论文的高级作者。

该论文的其他作者包括媒体实验室的高级研究支持人员Samantha Gutierrez-Arango和Erica Israel。麻省理工学院本科生Ashley Chia-En Teng；宋亨恩（Hyungeun Song），哈佛大学麻省理工学院（MIT）健康科学与技术课程的研究生； Zachary Bailey，媒体实验室的前访问研究员；媒体实验室的访问科学家Matthew Carty；以及媒体实验室研究科学家Lisa Freed。

恢复感觉

大多数控制肢体运动的肌肉成对出现，交替伸展和收缩。这些激动剂-拮抗剂对的一个例子是二头肌和三头肌。当您弯曲肘部时，二头肌会收缩，从而使三头肌伸展，然后伸展将感觉信息传回大脑。

在常规的肢体截肢过程中，这些肌肉运动受到限制，切断了这种感觉反馈，使截肢者更难感觉到其假肢在空间中的位置或感觉到施加在这些肢体上的力。

“当一根肌肉收缩时，另一只肌肉就没有拮抗活性，因此大脑会产生混乱的信号。”现任麻省理工学院科赫综合癌症研究所所长的生物机电一体化小组前成员斯里尼瓦桑说。“即使使用最先进的假体，人们也一直在视觉上跟随假体，试图将其大脑校准到设备移动的位置。”

几年前，麻省理工学院生物机电一体化小组在临床前研究中发明并科学开发了一种新的截肢技术，该技术可以维持这些肌肉对之间的关​​系。它们没有切断每条肌肉，而是连接了肌肉的两端，因此它们仍在残肢内彼此动态通讯。在2017年对大鼠的一项研究中，他们表明，当动物收缩一对中的一只肌肉时，另一只肌肉会伸展并将感觉信息发送回大脑。

自这些临床前研究以来，约有25人在布莱根妇女医院进行了AMI手术，该手术由布莱根妇女医院整形外科的外科医生卡蒂（Carty）进行。在新的PNAS研究中，研究人员测量了15名在膝盖以下进行AMI截肢的患者的踝关节和距下关节肌肉运动的精确度。这些患者的截肢过程中有两组肌肉重新连接在一起：控制脚踝的肌肉和控制距骨下关节的肌肉，从而使脚底向内或向外倾斜。该研究将这些患者与膝盖以下传统截肢的七个人进行了比较。

评估每位患者的躺卧状态，将双腿放在泡沫枕头上，让双脚伸向空中。在研究期间，患者没有假肢。研究人员要求他们以完整运动范围的25％，50％，75％或100％弯曲踝关节（完整的和“幻影”的）。每条腿上都附有电极，研究人员可以在重复进行每次运动时测量特定肌肉的活动。

研究人员将截肢肢体肌肉和完整肢体肌肉的电信号进行了比较，发现对于AMI患者，它们非常相似。他们还发现，与传统截肢患者相比，AMI截肢患者能够更精确地控制截肢的肌肉。进行传统截肢的患者更有可能在被截肢的肢体上反复进行相同的运动，而不管他们被要求弯曲踝关节多远。

“ AMI患者控制这些肌肉的能力比典型截肢患者要直观得多，后者很大程度上与大脑处理幻肢运动的方式有关，” Srinivasan说。

在最近发表在《科学转化医学》上的一篇论文中，研究人员报告说，对AMI被截肢者进行的脑部扫描显示，与传统截肢患者相比，他们从残余肌肉中获得了更多的感觉反馈。在正在进行的工作中，研究人员正在测量这种能力是否可以在行走时更好地控制假肢。

行动自由

研究人员还发现了他们没有预料到的效果：AMI患者的肢体截肢疼痛减轻，活动自由感增强。

“我们的研究并不是专门为实现这一目标而设计的，但这是我们的研究对象一遍又一遍表达的一种情感。Srinivasan说：“他们对脚的实际感觉以及脚在空间中的运动感觉要大得多。”“越来越明显的是，使肌肉恢复到正常的生理状态不仅有益于假肢控制，而且还有益于他们的日常心理健康。”

研究团队还开发了该手术的改良版，可以对已经进行过传统截肢手术的人进行手术。他们称其为“再生性AMI”的过程包括移植小块肌肉，以作为截肢关节的激动剂和拮抗肌。他们还正在为其他类型的截肢手术开发AMI程序，包括截肢以上，肘部以上和以下。

Herr说：“我们得知这种重新连接肢体并使用零件重建肢体的技术正在奏效，并且适用于身体的各个部位。”

参考：Shriya S. Srinivasan，Samantha Gutierrez-Arango，Ashley Chia-En Teng，Erica Israel，Hyungeun Song，Zachary Keith Bailey，Matthew J. Carty，Lisa E. Freed撰写的“神经接口体系结构可增强后截肢的运动控制和残肢功能。和休·M·赫尔（Hugh M. Herr），2021年2月16日，美国国家科学院院刊。
10.1073 / pnas.2019555118

这项研究由麻省理工学院媒体实验室联合会资助；美国国立卫生研究院，国家儿童健康与人类发展研究所和国家医学康复研究中心；以及美国国防部的国会指示医学研究计划。