有如科幻小說的產物,法國Grenoble的一個實驗室開發出一種可植入人體的無線裝置,讓28歲的四肢癱瘓病人能利用大腦內的腦機介面以及外骨骼(exoskeleton)走路,並且控制兩隻手臂;以長期的眼光看來,這種技術可望為嚴重活動障礙者帶來更大的移動能力。

四肢癱瘓是由脊髓病變所導致,疾病使得患者控制四肢的神經系統受到阻礙。為了要恢復這些行動不便的患者恢復活動力,法國Grenoble研究機構CEA的Clinatec實驗室研究人員與Grenoble大學附設醫院醫師,合作開發了一種能藉由紀錄與解碼大腦訊號來控制病患四肢外骨骼的植入式裝置,能即時記錄人腦的活動並將這些生理脈衝用來驅動外骨骼。

這是四肢癱瘓病人第一次成功利用這種能記錄、傳輸與解碼大腦訊號的神經義肢(neuroprosthetic)來走路。這個Clinatec的「腦機介面」(Brain Computer Interface,BCI)專案研究成果,不久前刊登於醫學期刊《The Lancet Neurology》。

Clinatec研究成果的主要創新之處,在於該裝置能提供長期性的高解析度腦電活動,與移動意圖相關的這種活動會即時無線傳輸到一部電腦進行解碼,以控制外骨骼讓病患四肢活動。為記錄大腦的感覺運動皮質(sensorimotor cortex)區域的腦電活動所開發出的植入式醫療裝置名為WIMAGINE,是植入於顱骨的低侵入式裝置。

WIMAGINE以64個電極組成的陣列以硬腦膜(dura mater)──某種圍繞大腦以及部份脊髓的膜──接觸,以記錄腦電圖(electrocorticograms,ECoG)。裝置的電路板包含腦電圖擷取與數位化系統,由法國研究機構CEA-Leti的微電子專家所設計,搭配透過安全無線電連結到外部基地台的遠端電源與無線資料傳輸系統。

該植入裝置的封裝可確保長期性的生物相容性與安全性,並已通過嚴格的測試,以符合歐盟的主動植入式醫療裝置指令(Active Implantable Medical Devices)。

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Clinatec實驗室開發的外骨骼。
(來源:Clinatec)

植入式裝置所記錄的腦電圖會被即時解碼,以判別病患所想要的移動方式;解碼後的傳輸訊號會控制相對應的外骨骼肢體。而解碼腦電圖需要開發高度複雜的人工智慧(AI)與機器學習(ML)演算法,還需要能即時控制外骨骼運動的軟體。

專長智慧數位系統的CEA-List也參與了WIMAGINE裝置的開發,該團隊負責外骨骼的四肢設計,特別考量到四肢癱瘓病人與外骨骼之間的互動,以實現安全的動作。此專案的長期目標是定義其腦機介面能應用與那些領域,以協助不同型態的運動障礙病患獨立生活,例如能自己駕駛輪椅,或是控制義肢。

Clinatec的董事會主席暨神經外科醫生Alim-Louis Benabid是WIMAGINE裝置開發團隊的一員,他表示,此裝置是協助肢體障礙者自立的重要一步,團隊對於此概念驗證成果非常自豪,並正在考慮新應用,好讓嚴重運動障礙的患者日常生活更輕鬆。

在獲得主管機關授權後,該裝置已經在一位28歲的四肢癱瘓病人身上進行臨床實驗;該脊髓病變患者在大腦的上感覺運動皮質區域左右兩側、硬腦膜上方各植入了一個WIMAGINE裝置,並在手術後以27個月的時間練習控制外骨骼做出不同的動作。

這名病患每週會在家裡以虛擬環境中的外骨骼化身練習三次,每個月會有一個星期的時間到Clinatec實際使用外骨骼。當穿上懸掛式的外骨骼,他能成功走出好幾步,並以3D控制上肢,還能在站著或坐著的時候選轉手腕。

能提供此種自由度的神經義肢概念驗證,為病患能自行在家於日常生活中使用這種裝置開啟了一扇大門;Clinatec團隊正在整合新的效應器(effectors),例如輪椅,並著手開發更強韌且精密的演算法,以實現更複雜的動作。團隊希望接下來能實現包括拿取物品等任務,並透露接下來幾年還會有其他三位病患加入臨床實驗。

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Brain Implant Enables Thought Control, Mobilizes Tetraplegic,by Nitin Dahad)