神經義肢技術
神經義肢技術（又稱神經修復術）是一門與神經科學和生物醫學工程有關的學科，涉及發展神經修復術。有時將它們與腦機介面形成對比，該介面將大腦連接到計算機，而不是用於代替丟失的生物學功能的設備。[1]
神經假體是一系列設備，可以替代可能因受傷或疾病而受損的運動，感覺或認知方式。耳蝸植入物提供了此類設備的示例。這些設備替代了耳膜和鐙骨所執行的功能，同時模擬了在耳蝸中執行的頻率分析。外部設備上的麥克風會收集聲音並進行處理；然後，經過處理的信號被傳輸到植入單元，該植入單元通過微電極陣列刺激聽覺神經。通過替換或增強受損感官，這些設備旨在改善殘疾人的生活質量。
這些可植入設備也通常在動物實驗中用作幫助神經科學家發展對大腦及其功能的更深入了解的工具。通過無線監測植入在受試者大腦中的電極發出的大腦電信號，可以在不影響結果的情況下研究受試者。
準確探測和記錄大腦中的電信號將有助於更好地了解負責特定功能的局部神經元群體之間的關係。
神經植入物被設計得儘可能小，以實現微創，尤其是在大腦，眼睛或耳蝸周圍的區域。這些植入物通常與假肢進行無線通信。另外，當前通過通過皮膚的無線電力傳輸來接收電力。植入物周圍的組織通常對溫度升高高度敏感，這意味著功耗必須最小以防止組織損傷。[2]
目前，使用最廣泛的神經假體是耳蝸植入物，截至2012年，全球使用量超過30萬。[3]
內容
1 歷史
1.1 視覺修復
1.2 聽覺假肢
1.3 緩解疼痛的假肢
2 運動假肢
2.1 膀胱控制植入物
2.2 運動假肢可有意識地控制運動
2.3 截肢技術
3 障礙
3.1 數字建模
3.2 尺寸
3.3 功耗
3.4 生物相容性
3.5 數據傳輸
3.6 正確植入
4 技術
4.1 局部場電位
4.2 自動化可移動電探針
4.3 成像引導手術技術
5 參考
歷史
第一個已知的耳蝸植入物創建於1957年。其他里程碑式的事包括：1961年，第一個用於偏癱的足部運動假肢；1977年，第一個聽覺腦幹植入物；1981年，成年大鼠的脊髓植入了周圍神經橋。1988年，腰椎前根植入物和功能性電刺激（FES）分別為一組截癱患者提供了站立和行走的機會。[4]
關於植入大腦的電極的發展，早期的困難是可靠地定位電極，最初是通過用針插入電極並在所需深度折斷針來完成的。最近的系統利用更先進的探針，例如用於深部腦刺激的探針，以減輕帕金森氏病的癥狀。兩種方法的問題在於，大腦在顱骨中自由漂浮，而探針卻沒有，並且相對較小的影響（例如低速車禍）可能會造成破壞。一些研究人員，例如密歇根大學的Kensall Wise，提出了將「電極安裝在大腦外表面上」拴在顱骨內表面上的建議。但是，即使成功，系留也無法解決要插入大腦深處的設備中的問題，例如在深部腦刺激（DBS）的情況下。
視覺修復
主要文章：視覺假肢
視覺假體可以通過電刺激視覺系統中的神經元來產生圖像感。照相機將無線傳輸到植入物，植入物將在電極陣列上映射圖像。電極陣列必須有效地刺激600-1000個位置，從而刺激視網膜中的這些視神經元，從而產生圖像。刺激也可以沿著光信號路徑的任何地方進行。儘管臨床測試已證明對視網膜植入物最為成功，但可以刺激視神經以創建圖像，也可以刺激視皮層。
視覺假體系統由一個外部（或可植入）成像系統組成，該系統可獲取並處理視頻。電源和數據將通過外部單元無線傳輸到植入物。植入物使用接收到的功率/數據將數字數據轉換為模擬輸出，然後將其通過微電極傳遞到神經。
感光器是將光子轉換成電信號的特殊神經元。它們是視網膜的一部分，是多層神經結構，厚度約200 um，位於眼後。處理後的信號通過視神經發送到大腦。如果該途徑的任何部分受損，則可能發生失明。
失明可能是由於光路（角膜，房水，晶狀體和玻璃體）受損所致。這可能是由於事故或疾病引起的。導致繼發於光感受器喪失的失明的兩種最常見的視網膜變性疾病是年齡相關性黃斑變性（AMD）和色素性視網膜炎（RP）。
永久植入式視網膜假體的第一項臨床試驗是一種帶有3500個無源微光電二極體陣列的設備。[5]該試驗於2000年在Optobionics，Inc.實施。2002年，Second Sight Medical Products，Inc.（加利福尼亞州西爾馬）開始使用包含16個電極的原型視網膜前植入物進行試驗。受試者為六個人，其具有繼發於RP的裸露光感知。受試者表現出以統計學上高於偶然性的水平區分三個常見物體（盤子，杯子和小刀）的能力。由視網膜植入物GMbH（德國羅伊特林根）開發的有源視網膜下裝置於2006年開始臨床試驗。將具有1500個微光電二極體的IC植入視網膜下。微型光電二極體可根據入射在光電二極體上的光量來調製電流脈衝。[6]
通過使用大表面電極的網格進行皮層刺激，完成了對視覺假體發展的開創性實驗工作。1968年，吉爾斯·布林德利（Giles Brindley）在一名52歲盲人女性的視覺皮層表面植入了80電極裝置。刺激的結果是，患者能夠在視野的40個不同位置看到。[7]該實驗表明，植入的電刺激器可以恢復一定程度的視力。視覺皮層假體的最新研究已經評估了視覺皮層刺激在非人類靈長類動物中的功效。在該實驗中，經過訓練和製圖後，猴子能夠在光和電刺激下執行相同的視覺掃視任務。
對高解析度視網膜假體的要求應遵循盲人的需求和意願，盲人將從該設備中受益。與這些病人的相互作用表明，沒有拐杖，面部識別和閱讀的機動性是主要的必要能力。[8]
功能完備的視覺假體的結果和意義令人興奮。但是，挑戰是嚴峻的。為了將高質量的圖像映射到視網膜中，需要大量的微型電極陣列。同樣，圖像質量取決於可以通過無線鏈路發送多少信息。同樣，大量的信息必須由植入物接收和處理，而沒有太多的功率消耗，這會損壞組織。植入物的尺寸也非常令人關注。任何植入物最好都是微創的。[8]
藉助這項新技術，包括Drexel的Karen Moxon，SUNY的John Chapin以及杜克大學的Miguel Nicolelis在內的數名科學家開始研究複雜的視覺假體的設計。其他科學家不同意他們的研究重點，他們認為人口密集的微觀金屬絲的基礎研究和設計還不夠完善，無法繼續進行。
聽覺假肢
主要文章：耳蝸植入物和聽覺腦幹植入物
（用於接收聲音）
耳蝸植入物（CIs），聽覺腦幹植入物（ABI）和聽覺中腦植入物（AMIs）是聽覺假體的三個主要類別。CI電極陣列植入耳蝸中，ABI電極陣列刺激下腦幹的耳蝸核複合體，而AMIs刺激下丘的聽覺神經元。耳蝸植入物在這三個類別中都非常成功。如今，高級仿生學公司，耳蝸公司和Med-El公司是耳蝸植入物的主要商業提供商。
與傳統的助聽器將聲音放大並通過外耳發送相比，耳蝸植入物可獲取和處理聲音並將其轉換為電能，然後傳遞到聽覺神經。CI系統的麥克風從外部環境接收聲音並將其發送到處理器。處理器將聲音數字化並將其過濾到單獨的頻帶中，該頻帶被發送到大約與那些頻率相對應的耳蝸中適當的音調區域。
1957年，法國研究人員A. Djourno和C. Eyries在D. Kayser的幫助下，首次對直接刺激人類受試者的聽神經進行了詳細描述。[9]個人描述了在模擬過程中聽到chi聲。1972年，在House Ear Clinic植入了成人中的第一個攜帶型耳蝸植入系統。美國食品藥品監督管理局（FDA）於1984年11月正式批准了House-3M耳蝸植入物的銷售。[10]
耳蝸植入物的性能改善不僅取決於了解植入物刺激的物理和生物物理局限性，還取決於對大腦模式處理要求的理解。現代信號處理代表了最重要的語音信息，同時還為大腦提供了所需的模式識別信息。在識別語音中的重要特徵時，大腦中的模式識別比演算法預處理更有效。工程，信號處理，生物物理學和認知神經科學相結合是產生正確的技術平衡以最大化聽覺假體性能的必要條件。[11]
耳蝸植入物還被用於允許先天性聾兒童獲得口語發展，並在早期植入方面取得了顯著成功（在達到2至4歲的生命之前）。[12]全球大約有80,000名兒童被植入。
1999年，德國法蘭克福大學的C. von Ilberg和J. Kiefer首先描述了同時電聲刺激（EAS）結合以更好聽的概念。[13]同年，第一例EAS患者被植入。自2000年代初以來，FDA就參與了耳蝸公司稱為「 Hybrid」的設備的臨床試驗。這項試驗旨在檢查耳蝸植入在殘餘低頻聽力患者中的有用性。與標準的耳蝸植入物相比，「混合」電極使用的電極更短，因為電極較短，因此刺激了耳蝸的羅勒區域，從而刺激了高頻Tonotopic區域。從理論上講，這些設備將使患有大量低頻殘留聽力的患者受益，這些患者在語音頻率範圍內失去知覺，從而降低了歧視評分。[14]
有關產生聲音的信息，請參見語音合成。
假肢緩解疼痛
主條目：脊髓刺激器
SCS（脊髓刺激器）設備具有兩個主要組件：電極和發生器。SCS用於神經性疼痛的技術目標是通過刺激引起的刺痛來掩蓋患者的疼痛區域，這被稱為「感覺異常」，因為這種重疊對於緩解疼痛是必要的（但不足以）。[15]感覺異常的覆蓋範圍取決於刺激的傳入神經。背脊中線電極最容易招募，靠近脊髓的脊髓表面，是大的背柱傳入神經，其產生廣泛的感覺異常，覆蓋尾段。
在遠古時代，轉基因魚被用作減輕疼痛的觸手。治療師已經開發出具體而詳細的技術來利用魚的生殖品質來治療各種類型的疼痛，包括頭痛。由於使用活動電擊發生器的笨拙，需要一定水平的技能才能在適當的時間內將治療葯交付目標。（包括使魚儘可能長壽）電止痛是第一種故意使用的電。到19世紀，大多數西方醫生都提供了由攜帶型發電機提供的病人電療。[16]然而，在1960年代中期，三件事融合在一起，以確保電刺激的未來。
起步於1950年的Pacemaker技術開始可用。
Melzack和Wall發表了他們的疼痛門控理論，該理論提出可以通過刺激大傳入纖維來阻止疼痛的傳播。[17]
開拓醫生開始對刺激神經系統以減輕患者的疼痛產生興趣。
電極的設計選項包括其尺寸，形狀，布置，數量，觸點分配以及電極植入方式。脈衝發生器的設計選項包括電源，目標解剖位置，電流或電壓源，脈衝率，脈衝寬度以及獨立通道數。編程選項非常多（四觸點電極提供50種功能性雙極組合）。當前的設備使用計算機化的設備來找到最佳的使用選項。此重新編程選項可補償姿勢變化，電極遷移，疼痛位置變化和電極放置不理想。[18]
運動假肢
支持自主神經系統功能的裝置包括用於膀胱控制的植入物。在軀體神經系統中，試圖有意識地控制運動的嘗試包括功能性電刺激和腰椎前根刺激器。
膀胱控制植入物
主要文章：S前根刺激器
如果脊髓病變導致截癱，病人很難排空膀胱，這可能導致感染。從1969年起，布林德利開發了骶神經前根電刺激器，並從1980年代初開始進行了成功的人體試驗。[19]該裝置被植入到脊髓的前根神經節上。由外部變送器控制，它可提供間歇性刺激，從而改善膀胱排空。它還有助於排便，並使男性病人能夠持續完全勃起。
骶神經刺激的相關程序是用於控制健全患者的失禁。[20]
運動假肢可有意識地控制運動
主要文章：腦機介面
研究人員目前正在研究和製造運動神經義肢技術，這將有助於恢復運動能力以及與運動障礙者（如四肢癱瘓或肌萎縮性側索硬化症）與外界溝通的能力。研究發現紋狀體在運動感覺學習中起著至關重要的作用。一項實驗證明了這一點，在該實驗中，連續執行任務後，以較高的速率記錄了實驗大鼠的紋狀體發射速率。
為了捕獲來自大腦的電信號，科學家開發了小於平方厘米的微電極陣列，可以將其植入顱骨中以記錄電活動，並通過細電纜轉換記錄的信息。經過數十年的猴子研究，神經科學家已經能夠將神經元信號解碼為運動。完成轉移後，研究人員建立了允許患者移動計算機游標的界面，並且他們開始構建機器人的肢體和外骨骼，患者可以通過思考運動來控制它們。
運動神經假體背後的技術仍處於起步階段。研究人員和研究參與者繼續嘗試使用假體的不同方法。例如，讓患者考慮握緊拳頭會產生與讓他或她考慮敲擊手指產生不同的結果。假體中使用的過濾器也正在微調，並且在將來，醫生希望製造一種能夠通過無線方式而不是通過電纜從顱骨內部傳輸信號的植入物。
在取得這些進步之前，菲利普·肯尼迪（Emory and Georgia Tech）擁有一個可操作的系統，即使它有點原始，該系統也使麻痹的人通過調節大腦活動來拼寫單詞。肯尼迪的裝置使用了兩個神經營養電極：第一個電極植入了完整的運動皮層區域（例如手指再造區域），並用於在一組字母之間移動游標。第二個被植入不同的運動區域，並用於指示選擇。[21]
通過使用通常與胸大肌相連的神經，用控制論替代來代替失去的手臂的事態繼續發展。這些手臂的活動範圍略有限制，據報道將配備用於檢測壓力和溫度的感測器。[22]
芝加哥西北大學和康復學院的Todd Kuiken博士開發了一種稱為「目標神經再生」的方法，用於截肢者控制機動修復設備並恢復感覺反饋。
2002年，由100個電極組成的多電極陣列（現已構成Braingate的感測器部分）被直接植入科學家Kevin Warwick的正中神經纖維中。記錄的信號用於控制由沃里克同事彼得·凱伯德（Peter Kyberd）開發的機器人手臂，並能夠模仿沃里克自己的手臂的動作。[23]另外，通過將小電流傳遞到神經中，通過植入物提供了一種形式的感覺反饋。這引起了手的第一腰肌收縮，而這種運動被察覺到。[23]
2014年6月，截癱運操作朱利安諾·平托（Juliano Pinto）使用帶有大腦介面的動力外骨骼在2014年FIFA世界盃上進行了儀式性的第一踢。[24]外骨骼是由巴西政府資助的Miguel Nicolelis實驗室的Walk Again項目開發的。[24] Nicolelis說，來自平衡肢體的反饋（例如，關於假腳接觸地面的壓力的信息）對於保持平衡非常必要。[25]他發現，只要人們能在發出命令的同時看到受大腦介面控制的肢體運動，反覆使用大腦就會吸收外部供電的肢體，並開始感知它（就位置感知和反饋而言）作為身體的一部分。[25]
截肢技術
麻省理工學院生物機電一體化小組設計了一種新穎的截肢範例，使生物肌肉和肌電假體能夠以高可靠性在神經系統中交互作用。這種被稱為激動劑-拮抗劑的肌神經介面（AMI）的手術範例為用戶提供了感知和控制其假肢作為其自身身體延伸的能力，而不是使用僅類似於肢體的假肢。在正常的激動劑-拮抗劑肌肉對關係（例如，二頭肌-三頭肌）中，當激動劑肌肉收縮時，拮抗肌被拉伸，反之亦然，從而使一個人無需四肢即可知道其肢體的位置。在標準截肢過程中，激動劑-拮抗劑肌肉（例如，二頭肌-三頭肌）彼此隔離，從而阻止了具有產生感覺反饋的動態收縮機制的能力。因此，當前的截肢者無法感覺到假肢遇到的物理環境。而且，隨著目前已經進行了200多年的截肢手術，1/3的病人由於其殘端疼痛而接受了修復手術。
AMI由最初共享激動劑-拮抗劑關係的兩條肌肉組成。在截肢手術期間，這兩根肌肉在截肢的殘端內機械連接在一起。[26]可以為患者中的每個關節自由度創建一個AMI肌肉對，以建立對多個假肢關節的控制和感覺。在對該新神經介面的初步測試中，具有AMI的患者已證明並報告了對假體的更大控制。此外，與傳統截肢患者相比，在步行過程中觀察到了更自然的反身行為。[27] AMI也可以通過兩個脫血管的肌肉移植物的組合來構建。這些肌肉移植物（或皮瓣）是多餘的肌肉，其被去神經（與原始神經分離）並從身體的一部分移出，被要截肢的四肢中被切斷的神經重新神經化。[26]通過使用再生的肌肉瓣，可以為患有嚴重萎縮或肌肉損傷的肌肉組織的患者或因神經瘤疼痛，骨刺等原因而進行肢體截肢修復的患者創建AMI。
障礙物
數字建模
準確表徵要替換的正常功能組織的非線性輸入/輸出（I / O）參數對於設計模仿正常生物突觸信號的假體至關重要。[28] [29]這些信號的數學建模是一項複雜的任務，「由於包含神經元及其突觸連接的細胞/分子機制固有的非線性動力學」。[30] [31] [32]幾乎所有腦神經元的輸出都取決於哪些突觸後輸入處於活動狀態以及輸入的接收順序。（分別為空間和時間特性）。[33]
一旦對I / O參數進行數學建模，就可以設計集成電路來模仿正常的生物信號。為了使假肢像正常組織一樣工作，它必須以與正常組織相同的方式處理輸入信號，這一過程稱為轉換。
尺寸
可植入設備必須很小，才能直接植入大腦，大約只有四分之一大小。可微植入電極陣列的一個例子是猶他州陣列。[34]
無線控制設備可以安裝在頭骨外部，並且應小於尋呼機。
能量消耗
功耗決定電池尺寸。植入電路的優化減少了功率需求。植入的設備目前需要車載電源。電池用完後，需要進行手術以更換單元。電池壽命越長，更換電池所需的手術就越少。電動牙刷中可使用一種無需手術或電線即可對植入電池充電的選項。這些設備利用感應耦合為電池充電。如在射頻識別標籤中一樣，另一種策略是將電磁能轉換為電能。
生物相容性
認知假體直接植入大腦，因此生物相容性是克服的重要障礙。為了長期植入，必須選擇設備外殼中使用的材料，電極材料（例如氧化銥[35]）和電極腦島。符合標準：ISO 14708-3 2008-11-15，外科手術植入物-有源植入式醫療設備第3部分：植入式神經刺激器。
越過血腦屏障會引入可能引起免疫反應的病原體或其他物質。大腦具有自己的免疫系統，其作用與身體其他部位的免疫系統不同。
要回答的問題：這如何影響材料的選擇？大腦是否具有獨特的噬菌體，它們具有不同的作用，並可能影響被認為在身體其他部位具有生物相容性的物質？
資料傳輸
正在開發無線傳輸以允許連續記錄個人日常生活中的神經元信號。這使醫生和臨床醫生可以捕獲更多數據，從而確保可以記錄癲癇發作等短期事件，從而更好地治療和表徵神經疾病。
斯坦福大學已經開發出一種小型輕巧的設備，可以連續記錄靈長類動物腦神經元。[36]該技術還使神經科學家能夠在實驗室受控環境之外研究大腦。
數據傳輸方法必須健壯且安全。神經安全性是一個新問題。認知植入物的製造商必須防止不必要的信息或思想下載以及將有害數據上傳到設備，這可能會中斷功能。
正確植入
裝置的植入存在許多問題。首先，必須將正確的突觸前輸入連接到設備上正確的突觸後輸入。其次，設備的輸出必須正確地對準所需的組織。第三，大腦必須學習如何使用植入物。各種有關大腦可塑性的研究表明，通過適當動機設計的鍛煉可以實現這一目標。
涉及的技術
局部場電位
局部場電位（LFPs）是與一定體積組織內所有樹突狀突觸活性的總和有關的電生理信號。最近的研究表明目標和期望值是可用於神經認知假體的高級認知功能。[37]萊斯大學的科學家還發現了一種新的方法，該方法可以通過對附著顆粒的表面進行微小改動來調整納米顆粒的光致振動。據該大學稱，這一發現可能會導致光子學從分子感測到無線通信的新應用。他們使用超快激光脈衝來誘導金納米盤中的原子振動。[38]
自動化可移動電探針
要克服的一個障礙是電極的長期植入。如果電極由於物理震動而移動，或者大腦相對於電極位置移動，則電極可能會記錄不同的神經。必須調整電極以保持最佳信號。單獨調節多電極陣列是非常繁瑣且耗時的過程。自動調節電極的開發將減輕該問題。安德森（Anderson）的小組目前正在與Yu-Chong Tai的實驗室和Burdick實驗室（均在加州理工學院）合作，開發出這樣一種系統，該系統使用基於電解的致動器來獨立地調節長期植入的電極陣列中的電極。[39]
影像引導手術技術
圖像引導手術用於精確定位腦植入物。[37]
