麻省理工学院的研究人员展示了一项创新技术，他们通过将微型磁珠植入肌肉，实现了对肌肉运动的精准追踪。这种微创磁性追踪系统能够提供比传统表面电极更准确、稳定的肌肉动态数据，有望推动神经假肢的商业化发展，帮助截肢患者更自然、有效地控制假肢。该研究为假肢控制提供了新的微创解决方案。
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麻省理工学院的研究人员表明，他们可以通过植入肌肉的微型磁珠准确追踪肌肉运动。这些测量数据可使患有某些类型截肢的患者更容易控制其假肢。
几十年来，研究人员一直致力于开发神经假肢，这种假肢利用截肢后残留肌肉的神经信息来引导假肢。肌肉长度、速度和激活状态的测量数据可以输入到引导假肢的控制算法中，使腿部截肢者能够以更自然的步态行走，或使手臂截肢者能够更有效地操纵物体。
迄今为止，这些设备一直依赖于放置在皮肤表面的电极来测量肌肉活动。然而，这些测量结果被证明不够可靠，无法确保佩戴神经假肢行走时的安全性。
麻省理工学院团队希望他们新的磁性追踪系统能够提供更准确的测量结果，从而推动此类假肢的商业化发展。
在这项今天发表于《自然·传感器》（Nature Sensors）的新研究中，研究人员展示了三名膝下截肢参与者磁性测量的准确性。
哈佛大学-麻省理工学院健康科学与技术研究生项目的研究生、该论文的主要作者之一克里斯托弗·沙拉尔（Christopher Shallal）表示：“这种接口是微创的，因此可以让更多人使用。你在肌肉中放置两颗磁珠，就能获取所有关于肌肉动态的丰富信息。”
该论文的另一位主要作者是卡梅伦·泰勒（Cameron Taylor）博士（2020届），他是北卡罗来纳大学教堂山分校的生物医学工程助理教授。
追踪肌肉
多年来，赫尔（Herr）的实验室一直在开发人机界面，用于控制假肢，使其使用体验更接近自然肢体。准确测量用户在截肢部位如何移动肌肉，对于此类假肢的成功至关重要。
皮肤表面的电极可以揭示下方肌肉的电激活情况，这些测量数据可以转换为肌肉收缩或弯曲程度的估计值。基于该输入，机器人控制器会生成指令，引导假肢向用户预期的方向运动。
然而，这种被称为肌电图（electromyography）的测量方法并不总是能提供足够准确的信息。电信号并不是肌肉动态的完美替代指标；例如，当肌肉在固定长度保持几秒钟时，信号就会减弱。此外，电极可能会捕捉到非目标肌肉的信号，而且汗水也会干扰信号的检测。
去年，赫尔及其同事报告了一种“仿生膝”假肢，该假肢使用植入肌肉的电极来提供准确的测量数据并将其输入机器人控制器。这种方法在一项小型临床研究中取得了成功，但与此同时，赫尔的团队也一直在研究一种侵入性较小的方法，该方法依赖磁铁而非电极。
这种方法被称为磁微测量法（magnetomicrometry），将成对的磁铁植入肌肉中。当肌肉收缩或拉伸时，放置在皮肤上的外部传感器可以测量磁铁之间距离的变化，从而计算出肌肉的长度和速度。
沙拉尔说：“磁铁可以通过身体进行无线追踪，因此你可以获得非常具体的肌肉信号，并测量肌肉的机械输出，而无需进行极度侵入性的操作。”
更好的控制
在泰勒领导的2021年的一项研究中，赫尔的实验室首次在动物模型中展示了这种基于磁铁的技术。新的《自然·传感器》研究将这种方法扩展到了拥有长期磁性植入物的人类身上。在这项研究中，研究人员招募了三名膝下截肢的参与者。
所有这些参与者都进行了一种被称为主动肌-拮抗肌肌神经接口（agonist-antagonist myoneural interface, AMI）的截肢手术。通过这种外科手术，在手术过程中重新连接肌肉对，使它们在残肢内仍然能够动态地相互通信。这种称为本体感觉（proprioception）的感觉反馈有助于假肢佩戴者决定如何定位和移动其假肢。
参与者在踝关节的最多四块肌肉中植入了磁铁。手术在布里格姆妇女医院（Brigham and Women's Hospital）进行，由整形外科医生、该研究的合著者马修·卡蒂（Matthew Carty）合作完成。这些磁珠直径为3毫米，大约有一颗芝麻大小。磁铁由钕、铁和硼的合金制成，表面镀有金和一种名为派瑞林C（parylene C）的聚合物，以使其具有生物相容性。使用佩戴在皮肤上、定位在被追踪肌肉上方的定制外部传感器，可以从距皮肤表面最深6厘米处读取磁信号。
本研究中的每位参与者还在接受磁珠植入的相同肌肉中植入了电极。这使得研究人员能够比较三种不同类型测量的准确性：磁微测量法、植入电极肌电图法以及皮肤表面电极肌电图法。
在实验期间，参与者没有佩戴假肢，但被要求执行一些任务，例如使用肌肉运动将屏幕上的光标移动到特定目标。使用这三种测量技术中的每一种，肌肉运动产生的信号被转换为控制信号，在这种情况下移动光标，但在未来可以输入机器人踝足假肢的控制器中。
沙拉尔说：“屏幕上的光标代表了他们将在机器人踝足假肢上控制的自由度。这项虚拟神经假肢任务使我们能够比较不同神经接口的性能，我们的结果表明，基于磁铁的方法可以提供更准确、更稳定的控制。”
研究人员目前正在进行一项更大规模的研究，评估人们使用磁珠测量数据控制假肢的效果。
该研究由麻省理工学院杨坦集体（Yang Tan Collective）和美国国家科学基金会研究生研究奖学金资助。
资讯来源
- News-Medical (2026-10-29)
- 原文： 麻省理工学院研究人员利用微型磁珠追踪肌肉运动
- https://www.news-medical.net/news/20261029/MIT-researchers-track-muscle-movement-using-tiny-magnetic-beads.aspx