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譯者: Ariel Zheng 審譯者: Johnathan Lau
今天我想和你們談談
生物工學
這個流行的專有名詞
意指藉機電裝置或機器人
來取代生物體部份機能的學問
本質上就是
生命和機器結合的東西
我要特別跟你們談談
生物工學對使用義肢的人
如何地進展
這是我們的動力來源
手臂截肢會造成極度不便
在功能上的損傷是很明顯的
我們的雙手是驚人的工具
我們不要說失去雙臂,光是失去一隻手臂
在生理上執行事情
就困難許多了
在心理方面的影響也非常巨大
事實上,我在診所處理
病人情緒調節的時間
和他們身體功能障礙的時間一樣多
最後,還有廣大的社會衝擊
我們說話時以手為輔
我們用手打招呼
我們用手摸索物質世界
沒有手
就會產生障礙
手臂截肢通常由創傷所導致
例如工業意外
機車衝撞
或殘酷的戰爭
也有些小孩是生來殘缺的
稱做先天性肢體缺失
可惜我們在
上肢義肢方面沒有做得很好
有兩種主要類型
一種是身體動力型義肢
發明於南北戰爭過後不久
又在第一次和二次世界大戰時經改良
你現在看到的是
1912年的一項義肢專利
和我病人身上的義肢
沒有太大差別
它們運用肩膀力量來帶動義肢
所以當你擠壓肩膀時,就會帶動腳踏車鋼索
而鋼索就會將手鉤打開、關上
或使手肘彎曲
這種義肢仍然相當普遍
因為它們算是非常穩健
相對來說也較為簡便的裝置
第二種較為先進的技術
則是我們所謂的肌電義肢
這些機動裝置
會偵測
你肌肉所產生的微小電子訊號
每當你收縮一條肌肉
它會釋放一些電信號
供接收天線或電極記錄
再用來操作機動義肢
對只失去手部的人來說
使用起來很方便
因為你的手部肌肉還在
你握緊手,這些肌肉就會收縮
你把手打開,這些肌肉也會收縮
所以它是直覺性的,效果很棒
那假如截肢範圍更大呢?
假設手肘以上的部份都被截掉了
你不但失去了這些肌肉
連你的手和手肘都沒了
該怎麼辦?
我們的患者必須使用
非常編碼的系統
單純使用他們的手臂肌肉
來操作機械手臂
我們有機械手臂
市面上都買得到,這裡也看得到一些
包含一隻會開合的手
一個旋腕關節及手肘
沒有其他功能
要是有的話,我們要如何操作呢?
我們在芝加哥復健機構裡建造自己的假肢
並增加一些橈側屈腕肌和肩膀關節
以達到六個馬達, 或是說六個自由度
我們也研究一些很先進的假肢
美國軍方贊助的這些原型
有高達10種不同的自由度
包括可移動式手臂
但最終難題還是
要如何操作這些機械手臂呢?
要如何控制它們呢?
我們需要一個神經介面
來連接我們的神經系統
或思考過程
讓它很直覺、很自然
像你、我一樣
我們身體先由腦部下行動作指令
經由你的脊隨傳遞訊息
到神經末梢
你的感官觸動則完全相反
當你觸碰自己,會產生刺激
透過相同的神經傳送訊息回腦部
就算你失去手臂,那個神經系統仍運作
那些神經可以發出指令信號
假如我在一位二戰老兵殘肢上
輕輕拍打神經末梢
他還是可以感覺到失去的那隻手
這時候你可能會說
我們何不在大腦裡
放個東西來紀錄信號
或放到末梢神經去紀錄
這些研究領域是非常令人興奮的
但也相當相當艱鉅
你必須置入
成百上千個微纜線
來記錄微小單一神經元 - 普通纖維
所發出的微弱信號
也就是微伏特
這對我的患者和使用上
實在是太困難了
因此我們研發出不同的方法
我們使用生物放大器 - 肌肉
來放大這些神經信號
肌肉會放大神經信號
大概一千倍
我們在皮膚表面上能讀取得到
就像你剛才看到的
我們的方法就是所謂的標靶神經移植術
想像一個人失去整個手臂
但還有四條主要神經
連接手臂
我們將那些胸肌神經拉出
然後把手臂神經轉移到病患的胸肌
所以你在腦袋裡想“握拳”,胸肌就會收縮
你想“彎手肘”
胸肌的另一區塊也會收縮
我們可以利用電極或天線
接收信號讓手臂動起來
大概就是這樣
這是我們首先測試的對象
他叫傑西 沙利文
是個非常好的人
這位54歲的架線工因誤觸電線
導致雙臂嚴重灼傷
在雙肩部位截肢
傑西來到芝加哥復健醫院
裝上這些圖上看到的先進裝置
我仍用舊技術
在他右肩裝腳踏車纜線
讓他決定下巴開關要動哪個關節
左邊裝的是先進的肌電義肢
連接三個關節
他操作肩膀上的小墊子
藉由碰觸讓手臂動起來
傑西是個不錯的起重機操作員
依我們標準來說他表現還不錯
他在胸肌還需進行再次手術
這給了我們機會
進行標靶神經移植術
於是我的同事葛瑞格杜曼年執行了這項手術
首先,我們將連接肌肉的神經切掉
接著我們將他的手臂神經
轉移到胸肌部位
最後再縫合好
大約三個月後
那些神經長出來了一點開始抽動
再六個月後,神經再生狀況良好
你可以看出很明顯的肌肉收縮反應
看起來大概像這樣
當傑西想著
把手打開和關閉
或手肘彎曲或伸直
你可以看到胸肌上的收縮動作
而且這些小記號
就是我們放天線或電極的地方
我相信這裡沒有人的胸肌
可以像他一樣這樣動吧!
他的腦袋想著他的手臂
他並沒有刻意去學要怎麼動胸肌
中間沒有任何學習過程
這樣才算是所謂的直覺性
這個是我們和傑西作的第一個小實驗
在左手邊,你可以看到他原本的義肢
他需要那些開關
將小積木從一個盒子裡搬到另一個盒子
他在操作那義肢已有20年的經驗,相當熟練
在右邊呢
是幫他裝上標靶神經移植術義肢的兩個月後
對了,而且是裝在同一隻手臂上
但設計上稍微不同
大家可以看到他的速度快了許多
移動這些小積木手感也更順
而且我們同時只能用到三個信號
接著出乎意料之外
當我們都在等待運動指令的出現
來操作義肢時
幾個月後
當你觸摸傑西的胸肌
他竟然感覺到他失去的手
他手的知覺竟長回到他的胸肌裡去
可能因為我們也抽掉很多脂肪
所以皮膚下面就是肌肉
皮膚神經也被抽掉了
所以當你摸傑西這裡,他會感覺到他的拇指
摸這裡,他會感覺到他的小指
輕微的碰觸
微小到一克的力道都有感覺
甚至是冷、熱、尖、鈍
通通在他失去的手上感受到了
或在手和胸肌上同時感受到
他兩者都能兼顧
這實在是令我們精神為之一振
因為我們開創了先機
或者說,開發了恢復知覺的潛力
他才能用義肢
重拾觸覺
想像手中的傳感器
傳遞到這新的手皮膚部位
所以這相當振奮人心
我們也繼續
向我們的原始實驗對象
也就是手肘以上截肢的族群
我們從肌肉的一小塊裡
將神經移除,或切除
然後把其他的保留
這讓我們有上下信號
和其他兩個讓手開關的信號
這是我們第一個病患,克里斯
你看到他在左邊的是
使用了八個月的原本裝置
右邊的新裝置,則使用了兩個月
這個小效能指標
讓他速度快了約四、五倍
很好
我工作最精彩的部份
就是能和很棒的病患合作
他們也是我們的研究夥伴
我們今天很幸運
能邀請艾曼達基茨來加入我們
請歡迎艾曼達基茨
(掌聲)
艾曼達,能否請您分享您如何失去手臂的?
艾曼達:好的。我在2006年出了車禍
當時下班開車回家路上
迎面而來一台卡車
衝到我的車道上
我的車就被輾過去,手臂被他的車輪扯斷
陶德 奎肯:好,那您截肢後就復原了
關於您使用過傳統的義肢
能否告訴我們您是如何操作的呢?
艾:恩,過程有點困難
因為我只能用二頭肌和三頭肌去控制義肢
所以光是撿東西的這些簡單小動作
我就要先把我的手肘彎曲
再共同收縮
以切換模式
當時
我必須使用二頭肌
來讓手收合
然後使用三頭肌來張手
再共同收縮
才能讓手肘恢復運作
陶:這樣過程有點遲緩吧?
艾:滿遲緩的,而且操作困難
你必須很專心才行
陶:好,那大概九個月後
您進行標靶神經移植手術
花了六個月時間完成所有神經移植術
然後我們幫他配上義肢
配完以後感覺如何?
艾:很棒
我可以同時
使用手肘和手
而且可以用想的去使喚它們
所以完全不需要再共同收縮了
陶:比較快?
艾:比較快了,而且簡單多,又自然多了
陶:好的,那就是我的目的
二十年來,我的目標就是
讓病人能很直覺性的同時使用
手肘和手
我們現在有超過五十位遍及全球的病患接受這手術
包括至少十二名
美國國軍的受傷戰士
神經移植的成功機率相當高
高達96%
因為我們要把很大塊的神經放在一小塊肌肉上
這樣就給了病人直覺性的支配權
我們的功能測試,這些小測試
全都顯示它的速度和簡易操作
而且最重要的是
我們的病患用得很開心
這一切都非常振奮人心
但我們還不滿足
那些神經信號還有很多資訊
我們想要取得更多
你可以移動每個手指,可以動拇指、手腕
我們可以再更進一步嗎?
因此我們進行了些實驗
我們將上萬個電極裝在我們倒楣的病患上
然後請他們完成二十四項任務
從擺動手指到動整隻手臂
再到伸手拿東西
然後把這資料紀錄下來
接著,我們利用一些演算法
很像語音辨識系統
叫做圖案辨識
看吧
(笑聲)
你可以看到,傑西的胸肌上
當他試著做三件不同的事
你可以看到三種不同圖案
但我無法將一個電極放上去
然後叫它“去那裡”
因此我們和新柏倫瑞克大學的同事合作
想出了這個演算控制
現在艾曼達可以示範給我們看
艾:我有可以舉起和放下的手肘
我有可以轉動的手腕
可以轉一圈
我有可以彎曲的手腕
還有可以開關的手
陶:謝謝,艾曼達
這是個還在試驗的手臂
但從這裡以下是由商業組件作成的
還有一些從各地借來的
重量約3.175公斤
大概跟我的手臂一樣重
如果從這裡算的話
很明顯的,對艾曼達來說很重
事實上,她在感覺上會更重
因為接合方式不同
她是籍以索帶支撐這些重量
所以最精彩的部份並不是機電整合
而是支配能力
因此我們研發了一個微型電腦
在她的背後運作
操作這隻手
完全由她去訓練的
運用她的個別肌肉信號
那麼艾曼達,當妳第一次使用這隻手臂
花多久時間學會?
艾:大概三到四小時
來訓練它
我必須連上電腦
所以不能在任何地方訓練
所以假如它壞了,我就必須取下來
現在只要用背上的小東西
就可以訓練
我可以到處走
就算壞了,我還是可以重新訓練它
大概花一分鐘而已吧
陶:所以我們非常興奮
因為我們現在做到一個臨床上可行的裝置
這就是我們的目標
讓它在臨床上可行
我們也讓艾曼達能夠使用
一些剛才提到的先進手臂
這是艾曼達在操作DEKA研發公司的手臂
相信迪恩卡門幾年前在TED介紹過給大家
那麼你可以看出艾曼達
操作得很棒
這都是圖案辨識
現在還有可以做不同緊握動作的手
我們讓病患腦力激盪
想“我要什麼樣的緊握模式?”
它就會進入那模式
就可以用這隻手做高達五、六種手握動作
艾曼達,你操作DEKA手時,能做幾種?
艾:我能做四種
我可以握手,彎手指
可以緊握
還可以用手指捏東西
但我最喜歡的部份是手可以打開
因為我工作要跟小孩玩
所以常要拍手唱歌
我可以再度拍手了,感覺很棒
陶:那隻手就不是很能拍手了
艾:這隻不能
陶:太好了,這對朝向更好的機電來說
是非常令人興奮的
我們只需要把手建造得好到可以
開放到市場上賣,並拿去做研究試驗
我想請大家仔細看
嗚!
那是克拉蒂雅
那是她第一次
從義肢上感受到知覺
在義肢尾端有小感應器
她在和不同表面摩擦時
還能辨別不同的質感
在她重新植入神經後的手部肌膚上
感受到沙紙、不同砂石和彩虹排線
她說用義肢在桌子上摸過去
她感覺得到手指在震動
那就是非常令人振奮的實驗
幫助我們研究如何讓病人的義肢有知覺
不過這是另一段影片,顯示過程的一些挑戰
這是傑西,他在捏一個海綿玩具
捏越緊的時候,在中間會看到一個黑色小東西
以同等他施壓的力量推向他的皮膚
但看周圍所有的電極
出現了房地產的問題
我們應該要把一堆東西放在上面
但我們的小肌電卻在電極旁邊
發出各種噪音
這方面是個重大挑戰
未來充滿光明
我們對於現在的進展很興奮,要做的事情還很多
例如
搞定我的房地產問題
得到更好的信號
我們想研發一些小膠囊
小到像一粒米一樣
然後放進肌肉裡
再將肌電信號傳遞出來
這樣才沒有電極連接的問題
我們也可以讓房地產保持開放
來測試更多知覺反應
我們想建造更好的義肢
這個義肢,都是為第50百分位數的男性而打造的
這樣表示它們對其他5/8的人都太大了
因此,與其作一個超級堅固或快速的義肢
我們要做這種義肢
先由
第25百分位數的女性開始
可以做手握動作
又可以完全張開
在手腕及手肘有兩個自由度
這樣就會是最小、最輕
又最先進的義肢了
只要可以在這麼小的義肢上達成
做大一點的就簡單多了
這些是我們的一些目標
我們真的很感謝大家的聆聽
有鑑於昨天的主題
我想分享一個我們這行業之苦
艾曼達還在調時差
她想用這隻手臂
但都被搞亂了
電腦出問題
有個線斷了
有個轉換器壞了
我們把飯店裡的電力線路都弄壞了
差點就觸發了火警警報器
要是沒有一個很聰明的研究團隊
我根本不可能解決那些問題
還好安妮賽門博士昨天在我們身邊
非常努力幫我們把它修好
這就是科學
還好義肢今天沒有出問題
所以我要非常感謝大家
(掌聲)