뇌가 촉각 보철물을 제어합니다! "NEJM" 인간-기계 통합 시대가 온다

어린 시절의 '의수족'에 대한 인상은 영화 '피터팬'에 나오는 후크 선장의 갈고리 손이겠죠? 이러한 보철물은 거의 장식적인 효과만을 갖고 있으며, 감정을 가지거나 복잡한 움직임을 수행하는 것은 환상입니다. 그러나 최근 NEJM(New England Journal of Medicine)에 보고된 연구 개발 결과는 명령을 내릴 수 있고 심지어 촉각까지 가질 수 있는 보철물을 생산했습니다!

이 보고서에 따르면 현재 3명의 환자가 이러한 보철물을 사용하고 있습니다. 의수 기능이 향상되어 환자 1은 정규직으로 복귀했으며 스키, 얼음낚시, 스노모빌도 탈 수 있게 되었습니다. 환자 2는 자동차 집회에 참여하고 의족을 장착한 자동차를 수리할 수 있었습니다. 환자 3은 오리엔티어링, 카누, 스키에 보형물을 사용할 수 있었습니다.

모든 환자들은 치료 결과로 보철물을 더 신뢰하게 되었고, 이미 보철물을 자신의 일부로 여기고 있으며, 보철물이 그들의 자존감, 자아상, 그리고 건강에 긍정적인 영향을 미쳤다고 말했습니다. 사회적 관계. 가장 큰 문제는 보철물에 '감각'이 부족하다는 점이다.

이 획기적인 '인간-컴퓨터 융합' 발명이 어떻게 이루어졌는지 이해하려면 먼저 중학교 생물학 수업 내용을 복습해야 한다. 예를 들어, 땅에 떨어진 지갑을 주우려고 하면 지갑을 만지는 순간 뇌의 지시가 신경을 통해 전달되고, 손가락 끝이 피드백을 주어 뇌에 "만졌다"고 알려줍니다. 두뇌는 "잡아라"라는 지시를 내릴 것입니다.

이 과정은 정상적인 인간의 신체에서 순간적으로 발생하며 매우 쉽습니다. 그러나 의수족 기술은 결코 획기적인 발전을 이룰 수 없었습니다. 주된 이유는 인간의 부족입니다. 의수족을 위한 신체의 직관적인 제어 및 감각 피드백 시스템.

여러 스웨덴 대학과 MIT 미디어 연구소의 연구원들은 Integrum AB와 협력하여 수년간의 연구를 수행하여 사용자의 신경에 동시에 연결되는 뇌 직관에 의해 제어되는 촉각 경험을 발명했습니다. , 근육과 뼈. 팔이 절단된 4명의 환자에게 의수족을 장착하고 3~7년 동안 사용했습니다. 연구팀은 5가지 과학기술적 문제를 돌파했습니다.

연구팀은 항상 신경 이식, 뼈 통합, 인간-기계 연결, 보철 제어 시스템, 감각 피드백 등 5가지 돌파 과제를 안고 있습니다.

신경 이식

의수족의 기능 향상에 있어 가장 큰 어려움은 절단 과정에서 팔의 신경이 자신이 통제하는 근육을 통제하지 못하게 되어 의수족과 의수족 사이의 의사소통이 차단된다는 점입니다. 뇌 중심과 근육. 2006년 노스웨스턴 대학교의 Todd Kuiken 박사와 Gregory Dumanian 박사는 근육 및 신경 재건을 위한 수술 절차(Targeted Muscle Reinnervation, TMR)를 개발했습니다. 환자의 팔이 10년 이상 전에 절단되었더라도 남아 있는 근육은 남아 있을 수 있습니다. 팔의 신경은 외과적으로 회복되어 신경 분포를 다시 확립하기 위해 다른 근육 부위로 옮겨집니다.

뼈 통합

보철물에 대한 우리의 인상은 종종 "분리 가능"하다는 인상을 주지만, 뼈를 포함하여 완전한 인간-기계 신체가 필요한 이러한 종류의 보철물은 뼈 통합이 필요합니다. 통합되다. 이와 관련하여 치과 기술이 사용되며 치과에서는 아주 일찍부터 보철물을 이식하기 시작했습니다. 연구팀은 팔, 팔꿈치 관절, 손에서 의수족을 조립해 관절에 연결하는 데 관련 수술 기법을 참고했다.

인간-기계 연결

인간-기계 인터페이스를 위해 팀에서 사용하는 임플란트 시스템을 e-OPRA라고 합니다. 임플란트 시스템은 골융합 기술을 사용하여 절단단에 연결합니다. 보철물은 뼈에 직접 부착되어 기계적 안정성을 제공합니다. 신경과 근육은 또한 신경근 전극을 통해 의수족의 제어 시스템에 연결되어 의수족과 뇌 사이의 양방향으로 신호를 보냅니다.

의수족 제어 시스템

의수족 컨트롤러는 움직임 의도를 해독하고 직접적인 감각 피드백을 제공할 수 있는 독립적인 웨어러블 요소로 설계되었습니다. 인공 팔은 기능을 유지하기 위해 외부 배터리, 와이어 또는 장비가 필요하지 않으며 근막 전극에 의해 제어됩니다.

보철 제어 및 통신 장치는 보철 팔 컨트롤러의 핵심 모듈로 디지털 및 아날로그 신호를 이용해 보철 장비를 제어할 수 있다. 신경전달물질은 의수에 의해 전달되는 감각 신호를 기반으로 입력 신경계에 직접적인 신호 피드백을 제공할 수 있습니다.

감각 피드백

절단 수술을 받은 사람의 경우 의수족에서 신체 감각을 얻는 것이 어려울 수 있습니다. 본 연구에서는 촉각 인식을 유발하는 전기를 의수 엄지손가락의 압력 센서에 연결하여 환자가 의수를 통해 실제적인 촉감을 느낄 수 있도록 했습니다. 그리고 물체에 가해지는 압력. 이상적으로는 의수에 있는 센서의 수가 인터페이스의 해상도 기능과 일치해야 환자가 센서가 감지할 수 있는 의수의 모든 영역에서 감각을 얻을 수 있습니다. ?3명의 사용자가 인간-기계 통합이 가능함을 입증했습니다.

일상생활에서 환자는 별도의 안내 없이도 의수를 효과적으로 사용할 수 있습니다. 3~7년 사용 후 세 환자 모두 신경근골격계 인터페이스는 정상 기능을 유지하였다(다른 환자는 추적관찰에 참여하지 않았으나 2년 반 동안 일상생활에서 신경근골격 보철 팔을 사용한 기록이 있었다). ).

추적 관찰 기간 동안 환자들은 심각한 부작용, 감염, 출혈, 임플란트 부작용으로 인한 보철 팔 중단을 경험하지 않았습니다.

현재 연구는 팔꿈치 위쪽 절단 환자를 ​​대상으로 하고 있으며, 연구팀은 팔꿈치 아래쪽 절단 환자를 ​​위한 인간-기계 도킹 및 다리 보철물도 개발하고 있습니다. 앞으로 '인간-기계 통합' 장면은 더 이상 공상과학 영화의 줄거리가 아닐 것으로 보인다.