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11万美元的机械手臂:如何学会接受和控制假肢

2012年11月28日11:29腾讯科技[微博]童云我要评论(0)
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[导读]如果被截肢者想要弯曲手肘,那么就必须想象收缩二头肌,实际上这块肌肉已经不复存在,这个神经信号会“告诉”假肢应该做屈曲的动作。这一过程需要使用者大量的练习才能掌握。

11万美元的机械手臂:如何学会接受和控制假肢

塞巴斯蒂安和他的假肢(腾讯科技配图)

腾讯科技讯(童云)北京时间11月28日消息,国外媒体近日刊载文章,讲述了一名因在阿富汗战争中受伤而被截去右臂的美国军人的故事,由此介绍了最新的机械假肢技术。以下是这篇文章的全文。

在爆炸过后,塞巴斯蒂安·加耶戈斯(Sebastian Gallegos)下士醒过来时看到的是10月份的太阳在水面上映射出的粼粼波光,这幅画面是如此的令人襟怀舒畅,以至于他觉得自己是在做梦。然后一样东西映入眼帘,把他生生拉回到冷酷的现实中:那是一只臂膀,在接近水面的地方来回摇摆着,有一条黑色发带缠绕在手腕上。

那条伸缩发带是对他妻子的纪念品,是在一元店买的护身符,他每次在阿富汗巡逻时都会绑在右臂上。而在此刻,从模糊意识的深处,他看到那条发带像块浮木一样漂在懒洋洋的水流中,系在一条已经不再属于他自己的臂膀上。在昏迷以前,他被爆炸的气流震了开去,被淹没在一条灌溉水渠的底部。

两年以后,这位下士拥有了一只假肢,那是一种价值11万美元的机器设备,拥有电子马达和传感器,能读取来自于大脑的信号。加耶戈斯现在正身处其职业治疗师的办公室里,一边做着抬高和降低一块海绵的动作,一边监控一个电脑显示屏,这个显示屏正在追踪其肩膀的神经信号。

握紧拳头,抬高手肘,他对自己说道。机械手臂抬了起来,但它那像爪子一样的手则张了开来,结果是海绵掉到了地上。再试一次,职业治疗师指示道。结果还是一样;然后又接着尝试。微小的齿轮急速运转着,他的眉毛由于精神上的努力而皱了起来。手肘抬了起来,这一次手掌仍旧保持着紧握的姿态。他长舒了一口气——终于成功了。

“在还是个婴儿时,你就能合上手掌。”这名下士说道。“而我现在不得不重新学习这样做。”

这并非很简单的任务。在1570多名由于在阿富汗或伊拉克战争中受伤而被截去手臂、腿、脚或手的美国军人中,仅有不到280人失去了上肢。他们正努力尝试使用假肢,但与失去了下肢的同袍们相比,他们在很多方面都面临着大得多的困难。

整形外科医师中有一种说法:腿可能更加强壮,但手臂和手则更加灵巧。人体上肢拥有大量的骨骼、关节和关节活动度,是人体最复杂的工具之一。想要利用机械手臂来复制人体上肢的活动,这会是一项极其痛苦而令人难以忍受的任务,需要被截肢者理解上肢运动所涉及的各种肌肉收缩活动,而这些事情是他们原本无需思考就能做到的。

举例来说,如果被截肢者想要弯曲手肘,那么就必须想象收缩二头肌——虽然实际上这块肌肉已经不复存在,但要收缩二头肌的想法仍旧会发出一个神经信号,这个信号会“告诉”假肢应该做屈曲的动作。从抓握一个杯子到翻动书页,上肢的每一个行动都需要经过这种大脑练习才能熟练掌握。

“上肢修复需要做大量的精神‘体操’。”圣安东尼奥布鲁克陆军医疗中心(Brooke Army Medical Center)负责指导加耶戈斯的职业治疗师丽萨·斯穆尔·华尔特斯(Lisa Smurr Walters)说道。

但是,上肢运动的复杂性只是问题的一部分内容。虽然在过去十年时间里,假腿技术已经取得了迅速的发展,但假臂技术则一直都跟不上步伐,许多被截肢者仍旧在使用以身体为动力的钩状物。自前苏联在二十世纪六十年代首先开始研制至今,大多数一般的电子手臂都已经有所改进,使用了更轻的材料和微处理器,但仍旧很难控制。

此外,上肢还必须应对感觉的丧失这一至关重要的因素。触觉——这是人类用来分辨婴儿皮肤与砂纸的区别,或是在握紧一把锤子与握紧手掌之间做出调整的感觉——已经不复存在。

基于所有这些理由,将近一半的上肢被截肢者会选择不使用假肢,而是用一只完好的手臂来取代两只手臂的功能;与此相比,几乎所有的下肢被截肢者都会选择使用假肢。

但是,23岁的加耶戈斯是美国军人被截肢者中正在从上肢假肢技术最新发展中得益的小部分人之一。在今年早些时候,他接受了一项开拓性的外科手术,这项手术名为“定向肌肉神经移植术”,其作用是放大用来控制人体手臂的微小神经信号。其结果是,额外的“插座”被创造出来,能让假肢的电极与其相连接。

更多的“插座”读数意味着更强的信号,能让加耶戈斯对其假肢的控制变得更加直觉化,芝加哥康复协会(Rehabilitation Institute of Chicag)的托德·库伊肯(Todd Kuiken)医生说道,他是这套程序的开发者。加耶戈斯不必去想象收缩三头肌和二头肌才能握紧拳头,而只需要想着要合拢手掌,那么相应的神经元应该就会自动发出信号。

在未来几年时间里,新技术将允许被截肢者感觉到自己的假肢,或是使用模式识别软件来更加直觉化地移动假肢,库伊肯说道。此外,五角大楼正在开发中的一种新的假臂EKA Arm就比目前可用的任何假臂都灵活得多。

但对加耶戈斯下士来说,即使是在接受了神经移植术的外科手术以后,想要熟练掌控自己的假肢也仍旧是一种挑战,很可能还需要经过几个月的冗长沉闷的练习才能做得到。出于这个理由,只有大多数积极性较高的被截肢者——这些人被称为“超级用户”——才被允许接受这种手术。

加耶戈斯下士并非一直都是那样的人。他的父亲是一名陆军老兵,不希望他加入步兵团,但看起来加耶戈斯并未听从这一建议。加耶戈斯是在德克萨斯州长大成人的,主要由他离异的母亲在贫困的生活中抚养长大。他很聪明,抱有雄心壮志,而且还有那么点博学,他的妻子特蕾西(Tracie)说道,两人曾是高中同学。如果他当年去上大学的话,那么拿奖学金看起来是十拿九稳的事情。

但是,服兵役的想法到最后在加耶戈斯的脑海中占据了上风。“我那时觉得,我还不够成熟到去上学的地步,到大学里会变成乳臭未干的顽童。”他说道。加入海军陆战队在当时看起来是一种完美的挑战。

加耶戈斯热爱海军陆战队,后者看起来也同样爱他。在2010年被部署以前,他成为了一个三人火力小组的领导者,并被送去学习基本的普什图语,那是阿富汗最大族群所使用的语言。他所在的部队——潘德顿基地(Camp Pendleton)第五海军陆战队第三营L连于同年9月份抵达阿富汗赫尔曼德省(Helmand Province),随后马上遭遇了这场战争中最艰苦的几次战役,在7个月的时间里阵亡了25人,大多数都是由于简易引爆装置爆炸而致死的。

在10月份,加耶戈斯下士走在穿越Sangin山谷地区的巡逻队中,在涉水走过一条灌溉水渠时听到了一声巨大的爆炸声,然后就昏了过去。醒过来的时候,他发现自己由于身穿防弹衣和携带武器的缘故而被“锚定”在沟渠底部。他尝试用右臂支撑身体站起来,却没有意识到其实他的右臂已被齐肩切断。

在一架撤离直升机上,加耶戈斯看到了自己的右臂,它看上去完好无损地包裹在绷带里,让他感到也许有希望能让医生重新接驳。但这种希望在布鲁克陆军医疗中心被浇灭了,随后他开始了漫长的康复疗程。他现在承认道,当时他的生活态度变得负面,原因是受到了另一名已被截肢的海军陆战队员的影响,这名队员几乎从来不使用假臂,因为用起来实在太不舒服。

但后来加耶戈斯下士碰到了一名来自空军的被截肢者,他是最早来到布鲁克陆军医疗中心接受“定向肌肉神经移植术”的军人之一。这名空军士兵警告他称,康复疗程可能会让人觉得无比挫败和痛苦,但其回报将是巨大的。“除非你目不转瞬地看他,否则你根本不会意识到他已经失去了自己的手臂。”加耶戈斯说道。“我当时就在想:‘我想要做得比他更好。’”

但加耶戈斯首先要做的是,他必须学会应对“幻肢痛”(又称肢幻觉痛,系指患者感到被切断的肢体仍在,且在该处发生疼痛)。这种疼痛感有时候足够强大,以至于能让这位高大健壮的海军陆战队员卧床不起,根本无法集中精力或是交谈。

“他一直都感到疼痛。”特蕾西·加耶戈斯说道,她正在护理学院就读。“但他不会抱怨,因为他不想要人们问他:‘你还好吧?’那个问题真的会让他发狂。”

随着时间的推移,药物疗法和外科手术已经足够抑制疼痛,他就开始练习自己的机械手臂。他发现,这条机械手臂就像是要跟他玩“脑筋急转弯”似的,每每令其想要让它“听话”的努力付之东流。他曾不止一次地发狠说要把它扔出窗外。

在这种时候,他就会用想念自己在海军陆战队的战友们的方式来自我激励。到后来,他的假臂拥有了一只跟皮肤同色的硅树脂袖子,上面镌刻着所有10名在Sangin山谷地区丧生的L连战友的姓名。现在,当他需要激励的时候,就会看看那只假臂——也就是他原来绑着妻子发带的地方——背诵那些名字就像是一种个人的祈祷。

当加耶戈斯开始每天“穿用”机械手臂的时间变长以后,他的康复专家赖安·布朗克(Ryan Blanck)认为,他可能已经最好了接受“定向肌肉神经移植术”手术的准备。这种程序会冒充肌肉的能力,放大神经信号;通过将神经重新导向健康肌肉,同时对组织进行整形,使其更加靠近假肢中安装的传感器的方式,这个程序会增强大脑信号,从而增强其控制假肢的能力。

接受手术以后再装上跟以前一样的假臂,加耶戈斯几乎马上就感觉到了两者之间的差别。他不再必须那么艰难地想着如何去收缩不同的肌肉:当他想要假臂移动时,它就会移动,速度更快,而且更加灵活。

但这并不意味着,假臂会像他想要的那样做动作。他仍旧面临着就像是“串音”的问题,也就是特定的神经对其他神经拥有支配地位。举例来说,如果手腕神经占据主导地位,那么病人可能不得不想着弯曲手腕才能让手掌合上。但在不断重复使用以后,神经已将彼此区分开来,因此就不再需要这种“诡计”了,库伊肯说道。

虽然假肢令加耶戈斯从中受益,但他还是未能克服在公众场合穿戴机械手臂所带来的窘迫感。一旦在人流涌动的餐厅中露出假手,就会让附近的孩子感到害怕。在黑暗的电影院里,他的假臂所发出的像“魔鬼终结者”一样的声音总会招来受惊后的窃窃低语。到直到今天,他都不会穿短球T恤衫到餐厅去。

“即使外面有75度(华氏度,相当于24摄氏度),我也会穿上夹克,只是为了避免被人盯着看。”他说道。

在几乎淹死在阿富汗的一年以后,加耶戈斯都不能到水边去,任何水都不行,哪怕是圣安东尼奥河的河边步道River Walk也不行。但是,一名临床医学家逼迫他克服了这种心理焦虑,最开始是游泳,随后是独木舟,然后是冲浪。

本·柯凡力(Ben Kvanli)曾是一名奥运选手,他现在运营着一个专为残疾军人服务的独木舟项目。柯凡力说道,加耶戈斯最开始是一个存有矛盾心理的桨手,但他的技术很棒,一部分原因是假肢迫使其更多地使用自己的核心肌肉。而且他滑得很快,快到柯凡力正在鼓励他尝试加入明年的残奥会美国团队。

“独立性在此扮演了重要的角色。”柯凡力说道。“他正在证明某些东西。”

加耶戈斯从孩提时代起就相当自立,而在失去手臂以后,他一直都在与失去独立性的痛苦展开搏斗。突然之间,他就不得不为了扣纽扣、拉拉链和系鞋带而请求别人的帮助。而他厌恶求人帮忙。

在他起居室的墙上有一些小洞,见证了他想要使用假臂往墙上挂东西,但却最终以失败告终的尝试。他还对一段记忆感到畏缩,那时他妻子在组装一件起居室家具,他则由于无法自己装配而大吼大叫。“做事情变得复杂得多了。”他说道。“我仍在探索自己到底能做到些什么,一天一天地慢慢摸索。”

出于这个理由,他不再像过去那样制定未来的长远计划。简单地生活,他对自己说道:离开海军陆战队,去上大学,学习如何用一只机械手系鞋带。或许——只是或许——成为一名残奥会选手。

在最近的一个午后,他的梦想成真。在阳光斑驳的圣马科斯河上,他驾着独木舟顺流而下,用的是一只不对路的假臂,原因是其本来要用于划独木舟的假臂在冲浪时坏掉了。正常情况下他应该排在队伍的前面,但这一天他的假臂不停滑落,他只能奋力跟上大队,而且看起来很是痛楚。

但他没有抱怨任何事情。在这次6小时的旅途接近终点时,他从14英尺(约合4.3米)高的Graduation瀑布凌空滑落,这是他头一次乘着独木舟这样做。在垂直落入泡沫飞溅的河水中以后,他的独木舟一下子消失在水面上,随后又轻巧地弹了出来。

在头盔边缘的下面,加耶戈斯的眼睛中带着微笑,他滑向岸边,把独木舟扛在没有受过伤的肩膀一侧,开始了向上游的艰难跋涉。

而他并没有要求帮助。

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