美国伊利诺伊大学学生使用3D打印假肢造福厄瓜多尔患者
来源 : 科学之家   发布时间 : 2014-11-17 17:14   浏览 : [ ]

图片说明:3D打印的假肢可以通过预设程序来执行手的不同动作,包括静态、伸开、握住(抓紧工具)、三指抓取和力度合适的拿捏。图片来源:Mike Koon,University of Illinois
 
对于大多数截肢患者,安装一个更灵活的假肢设备是一个缓慢的过程且成本较高。不过,多亏美国伊利诺伊大学香槟分校的一个由学生领导的研究团队,这种情况将会得到改善,这对很多发展中国家有需要的居民将是个极好的消息。
 
这些学生发明了世界上第一台具有模式识别功能的3D打印假手,内嵌的机器学习算法使其能实现除了伸开和握住外的其他功能。为了实现更多功能,该算法学习了手的其他很多姿势。更重要的是,它只需要270美元,而肌电假手的平均售价都在30000美元到40000美元。即使考虑到后期的一些涨价,3D打印假手对于患者来说成本也大大降低了。
 
团队负责人、美国伊利诺伊大学医学院神经科硕士生、在读博士生Aadeel Akhtar说:“使用机器学习算法对这些肌电信号建模,假手能算出患者正在进行的抓取动作。使用机器学习算法的微控制器可以复制他的抓取动作。基于这些信号,微控制器可以向电机发送指令,电机开始运转并完成手的动作。”
 
尽管现在的肌电控制板使用的是标准音频混合板的的尺寸,但它的尺寸会逐渐减小,最终可以与残肢的接口匹配。Akhtar的研究团队为五种手指动作:静态、伸开、握住(紧握工具),三指抓取动作和用力合适的拿捏。最初的动作训练需要花费1~2分钟,患者需要仔细检查每个动作。
 
2014年8月,美国伊利诺伊大学空间工程专业研究生Akhtar和Mary Nguyen一起到南非旅游。他们将最新的发明成果——一个开源灵巧假肢,安装在一个厄瓜多尔(Ecuador)患者手上。
 
“此行的目的就是让假肢在患者身上正常工作。”Akhtar说道,“尽管需要多次调试,我们还是成功了。”
 
这个研究团队由伊利诺伊大学空间工程副教授Time Bretl指导,Akhtar、Nguyen和其他六名工科研究生组成。Time Bretl教授的研究领域即为机器人学和神经科学。在过去三年内,团队开展了假肢的肌电控制和神经反馈等工作,3D打印的使用使模型的推进大大加快了速度。
 
去年春天,团队与伊利诺伊大学的毕业生David Krupa取得联系,使项目加速推进。Krupa是Range of Motion Project项目的创建者之一,该项目为危地马拉(Guatemala)和厄瓜多尔无法接受康复护理的患者无偿提供假肢和矫正治疗。得知该研究后,Krupta联系到美国驻厄瓜多尔大使馆,资助他们的研究团队来厄瓜多尔进行试验。
 
这支假手花费了30小时打印、2小时安装。所有用来将神经信号转换为运动指令的电子器件安装在手指内。这个学期,团队一直在致力于第三代样品的设计与开发,即将手掌变得更薄,而手指更强壮。在今年一月初,他们计划为一名厄瓜多尔患者安装此假肢,研究团队在未来还有更多的关于下一代样机的计划。
 
Akhtar说:“目前商用假肢几乎都没有反馈。我们将传感器放进手指里,根据手指检测的受力,我们可以通过皮肤传导相应大小的电流,从而刺激患者的感觉神经。通过使用不同的电流信号刺激感觉神经,我们可以使假肢感受到振动、麻木、疼痛以及压力。”假肢与皮肤通过一个机械连接装置相连,患者可以在不用观看的前提下,更好地感受到手的姿势。

Akhtar说:“最初我们在实验室做了大量的实验,我们发现只需要六分钟的训练,使用者就可以辨别六种不同的抓取动作,他们不用观看,其感觉的准确率就高达88%。因此我们可以想象,患者在一周内肯定可以更好地使用该假肢。”
 
Nyguen补充道:“能够帮助别人的感觉棒极了,没想到还在大学期间,我们就能做出直接造福人类的事情来。”(科学之家,译审:LW Sheng)
 
文章来源: http://phys.org/news/2014-10-3d-printed-prosthetic-illinois-students-ecuador.html
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