磁传感器追踪肌肉长度

麻省理工学院的研究人员利用一组简单的磁铁，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。

在一份新的论文中生物工程与生物技术前沿“，在美国，研究人员展示了他们基于磁铁的系统的准确性和安全性，该系统可以在运动过程中跟踪肌肉的长度。在动物身上进行的研究为这种策略提供了希望，它可以帮助使用假体设备的人以一种更接近模拟肢体自然运动的方式控制它们。

“这些最近的结果表明，这种工具可以用于实验室之外的跟踪肌肉运动他们还表明磁性植入物是稳定的和生物兼容的，不会引起不适，”麻省理工学院的研究科学家、两篇论文的共同第一作者卡梅伦·泰勒说。

在其中一项研究中，研究人员表明，当火鸡奔跑、跳跃和进行其他自然动作时，他们可以准确测量火鸡小腿肌肉的长度。在另一项研究中，他们表明用于测量的小磁珠植入肌肉时不会引起炎症或其他不良影响。

媒体艺术与科学教授、麻省理工学院K. Lisa Yang仿生学中心联席主任、麻省理工学院麦戈文大脑研究所副成员休·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患者的控制和疗效。”

赫尔是两篇论文的资深作者，这两篇论文今天发表在《生物工程与生物技术前沿》杂志上。托马斯·罗伯茨是布朗大学生态学、进化论和生物生物学教授，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叫做表面肌电图(EMG)的方法来控制。将电极连接到皮肤表面，或通过手术植入截肢残肢的肌肉中，测量来自人体肌肉的电信号，这些电信号被输入假肢，以帮助假肢按照佩戴者的意愿移动。

然而，这种方法并没有考虑到任何关于肌肉长度或速度的信息，这有助于使假体运动更准确。

几年前，麻省理工学院的研究小组开始研究一种新奇的方法来进行这种肌肉测量，他们使用的方法被称为磁显微测量法。这种策略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。

在去年发表在科学的机器人研究人员表明，当这些小珠子被植入火鸡的小腿肌肉时，该系统可以被用来精确测量踝关节的微小运动。在其中一项新研究中，研究人员开始观察该系统是否能在非实验室环境下更自然的运动中进行精确测量。

为了做到这一点，他们设计了一个障碍赛道，包括让火鸡爬上的斜坡和让火鸡跳上跳下的盒子。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，他们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一种更传统的方法——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，需要比磁力显微测量法更大的设备。磁测显微法的测量结果与氟测显微法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包提供房间大小的x光设备的肌肉长度跟踪功能，我们能够连续收集数据，而不是像荧光显微测量法那样被限制在10秒的爆发。”

麻省理工学院研究生Seong Ho Yeon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，研究人员专注于植入物的生物相容性。他们发现磁铁不会产生组织疤痕、炎症或其他有害影响。他们还表明，植入磁铁并没有改变火鸡的步态，这表明它们不会产生不适。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，而且只要植入物之间至少间隔3厘米，它们就不会相互移动。研究人员设想，这种由涂有金和一种名为parlene的聚合物的磁芯组成的珠子，一旦被植入，就可以无限期地留在组织中。

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

研究人员现在正计划寻求FDA批准在假肢患者身上测试该系统。他们希望用这种传感器来控制假肢，就像现在使用的体表肌电图一样:测量肌肉长度的数据将被输入到假肢的控制系统中，以帮助引导它到达佩戴者想要的位置。

“这项技术满足需求的地方在于沟通这些需求肌肉长度和速度对可穿戴机器人的影响，这样机器人就可以与人类协同工作。”泰勒说。“我们希望磁测能让人控制可穿戴机器人的舒适度和舒适度，就像人们控制自己的肢体一样。”

除了假肢在美国，这些可穿戴机器人可能包括机器人外骨骼，它可以穿戴在体外，帮助人们更容易地移动腿或手臂。

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