新的'e-dermis'为假手提供触觉和疼痛感

被截肢者经常会感受到一种“幻肢”的感觉 - 一种缺失的身体部位依旧存在的感觉。

由于约翰霍普金斯大学的一个工程师团队创造了一个电子皮肤,这种感官幻觉更接近成为现实。当在假手的顶部分层时,这个e-dermis通过指尖带回真正的触感。

“多年后,我感觉到我的手,好像一个空心的外壳再次充满了生命,”这位匿名截肢者担任该团队的主要志愿者测试员。

由织物和橡胶制成的传感器模仿神经末梢,e-dermis通过感知刺激并将冲动传递回周围神经,重现触觉和疼痛感。

“我们制作的传感器可以超越假手的指尖,就像你自己的皮肤一样,”生物医学工程专业的研究生Luke Osborn说。“它的灵感来自于人类生物学中正在发生的事情,它具有触觉和疼痛的感受。

“这很有意思,也很新,”Osborn说,“因为现在我们可以拥有一只已经上市的假手,并配合一个电子真皮,可以告诉佩戴者他或她是否正在拾取圆形的东西或者它是否有尖锐的分数。“

这项工作于6月20日发表在“科学机器人”杂志上,表明可以为使用假肢的截肢者恢复一系列自然的触觉感受。检测疼痛的能力可能是有用的,例如,不仅在假手中而且在下肢假肢中,警告使用者可能对装置造成损害。

人体皮肤含有复杂的受体网络,可以传递大脑的各种感觉。该网络为研究团队提供了生物模板,其中包括约翰霍普金斯大学生物医学工程,电气和计算机工程,神经病学系以及新加坡神经科学研究所的成员。

Osborn说,为现代修复设计带来更多人性化是至关重要的,特别是在融入感受疼痛的能力方面。

“疼痛当然是令人不快的,但它也是一种必不可少的保护性触觉,缺乏目前可用于截肢者的假肢,”他说。“假体设计和控制机制的进步可以帮助被截肢者恢复失去的功能,但他们往往缺乏有意义的,触觉反馈或感知。”

这就是电子真皮进入的地方,通过刺激手臂周围的神经向被截肢者传递信息,使所谓的幻肢生命。该论文的资深作者,生物医学工程教授,约翰霍普金斯大学生物医学仪器和神经工程实验室主任Nitish Thakor表示,e-dermis装置通过皮肤以非侵入性的方式电刺激截肢者的神经。 。

“这是第一次,假肢可以提供一系列的感知,从细微触摸到有毒,再到截肢者,使它更像是一只人的手,”位于巴尔的摩的Infinite Biomedical Technologies的联合创始人Thakor说。提供了研究中使用的假肢硬件。

受人类生物学启发,e-dermis使用户能够感受到连续的触觉感知范​​围,从轻触到有害或痛苦的刺激。该团队创建了一个“神经形态模型”,模仿人类神经系统的触觉和疼痛感受器,允许电子真皮电子编码感觉,就像皮肤中的受体一样。通过脑电图或EEG跟踪大脑活动,该团队确定测试对象能够在他的幻影手中感知这些感觉。

研究人员然后通过使用称为经皮神经电刺激或TENS的非侵入性方法将电子真皮输出连接到志愿者。在疼痛检测任务中,研究小组确定测试对象和假体能够在触摸尖锐物体时对疼痛进行自然的反射性反应,并且在触摸圆形物体时不会产生疼痛。

电子真皮对温度不敏感 - 对于这项研究,该团队专注于检测物体曲率(触摸和形状感知)和锐度(疼痛感知)。奥斯本说,电子真皮技术可以用来使机器人系统更具人性化,它也可以用于扩展或扩展到宇航员手套和太空服。

研究人员计划进一步开发该技术,并更好地了解如何为截肢者提供有意义的感官信息,以期使该系统为患者广泛使用做好准备。

约翰霍普金斯大学是上肢灵巧假肢领域的先驱。十多年前,该大学的应用物理实验室领导了先进的模块化假肢的开发,这是一名截肢患者用肌肉和神经控制的,曾经控制过他或她的真手或手。

除了来自Space @ Hopkins的资金,该团队还促进了大学各部门之间的空间相关合作,该团队还通过国家生物医学成像和生物工程研究所获得了应用物理实验室研究生奖学金计划和神经工程培训计划的资助。美国国立卫生研究院授予T32EB003383。

电子真皮在一年内对在约翰霍普金斯大学的神经工程实验室自愿参加的截肢者进行了测试。受试者经常重复测试以证明通过电子真皮获得一致的感官知觉。该团队在其他实验中与其他四名截肢志愿者合作,提供感官反馈。