磁传感器追踪肌肉长度

利用一组简单的磁铁，麻省理工学院的研究人员想出了一种复杂的方法来监测肌肉运动，他们希望这将使截肢患者更容易控制他们的假肢。

在一份新的论文里生物工程与生物技术前沿“，研究人员展示了他们基于磁铁的系统的准确性和安全性，该系统可以跟踪运动中肌肉的长度。这项在动物身上进行的研究带来了希望，即这种策略可以用来帮助佩戴假肢设备的人以一种更接近于模仿自然肢体运动的方式控制他们。

“这些最近的结果表明，这种工具可以在实验室之外用于跟踪肌肉运动这两篇论文的共同主要作者、麻省理工学院的研究科学家卡梅隆·泰勒说:“它们还表明磁性植入物是稳定的、生物相容性的，不会引起不适。”

在其中一项研究中，研究人员表明，当火鸡奔跑、跳跃和其他自然动作时，他们可以准确地测量出火鸡小腿肌肉的长度。在另一项研究中，他们发现用于测量的小磁珠植入肌肉后不会引起炎症或其他不良反应。

媒体艺术与科学教授、麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心联合主任、麻省理工学院麦戈文大脑研究所副研究员休·赫尔说:“我对这项新技术的临床潜力感到非常兴奋，它可以改善肢体丧失者的控制和疗效。”

赫尔是这两篇论文的资深作者，这两篇论文今天发表在《生物工程和生物技术前沿》杂志上。托马斯·罗伯茨(Thomas Roberts)是布朗大学生态学、进化论和有机生物学教授，也是这项测量研究的资深作者。

跟踪运动

目前，动力假肢通常使用一种被称为表面肌电图(EMG)的方法来控制。电极附着在皮肤表面或通过手术植入被截肢肢体的残余肌肉中，测量来自人体肌肉的电信号，这些电信号被输入假肢，帮助假肢按照佩戴者的意愿移动。

然而，这种方法没有考虑到肌肉长度或速度的任何信息，这可能有助于使假体运动更准确。

几年前，麻省理工学院的团队开始研究一种新的方法来进行这种肌肉测量，他们使用一种他们称之为磁显微测量的方法。这种方法利用了植入肌肉的小珠子周围的永久磁场。通过将一个信用卡大小、类似指南针的传感器安装在身体外部，他们的系统可以跟踪两块磁铁之间的距离。当肌肉收缩时，磁铁靠得更近，当肌肉弯曲时，磁铁离得更远。

在去年发表于科学的机器人研究人员表示，当珠子被植入火鸡的小腿肌肉时，该系统可以用来精确测量脚踝的微小运动。在其中一项新研究中，研究人员开始研究该系统是否可以在非实验室环境中更自然的运动中进行准确的测量。

为了做到这一点，他们创造了一个斜坡让火鸡爬，还有一个盒子让它们跳上跳下。研究人员使用他们的磁传感器进行跟踪肌肉运动在这些活动中，他发现该系统可以在不到一毫秒的时间内计算出肌肉长度。

他们还将他们的数据与使用更传统的方法荧光显微测量法进行了比较，荧光显微测量法是一种x射线技术，需要比磁显微测量法大得多的设备。磁显微测量与荧光显微测量产生的测量结果平均相差不到一毫米。

泰勒说:“我们能够使用一个更小的便携式包装，为房间大小的x射线设备提供肌肉长度的跟踪功能，并且我们能够连续收集数据，而不是局限于荧光显微测量所局限的10秒爆发。”

Seong Ho Yeon是麻省理工学院的研究生，也是这项测量研究的联合主要作者。其他作者包括麻省理工学院研究支持助理Ellen Clarrissimeaux和前布朗大学博士后Mary Kate O'Donnell。

生物相容性

在第二篇论文中，研究人员重点研究了植入物的生物相容性。他们发现磁铁不会产生组织瘢痕、炎症或其他有害影响。他们还表明，植入的磁铁并没有改变火鸡的步态，这表明它们没有产生不适。布朗大学博士后威廉·克拉克(William Clark)是这项生物相容性研究的共同主要作者。

研究人员还表明，在八个月的研究时间里，植入物保持稳定，只要它们被植入的地方至少相距3厘米，它们就不会相互移动。研究人员设想，这些由涂有黄金和聚对二甲醚聚合物的磁芯组成的珠子，一旦植入，就可以无限期地留在组织中。

泰勒说:“磁铁不需要外部电源，在将它们植入肌肉后，它们可以在患者的一生中保持磁场的全部强度。”

研究人员目前正计划寻求FDA批准在假肢患者身上测试该系统。他们希望使用传感器来控制假肢，类似于目前使用的表面肌电图:关于肌肉长度的测量将被输入到假肢的控制系统中，以帮助引导它到佩戴者想要的位置。

“这项技术填补需求的地方在于沟通这些信息肌肉长度和速度，这样机器人就可以在某种程度上与人类协同工作，”泰勒说。“我们希望磁显微测量法能让一个人控制可穿戴机器人，就像控制自己的肢体一样舒适和轻松。”

除了假肢在美国，这些可穿戴的机器人可能包括外骨骼机器人，它被戴在身体外面，帮助人们更容易地活动腿部或手臂。

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