科学家在截肢者的幻肢恢复冰冷的感觉

约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的研究人员已经开发出世界上最小的之一,最强烈的和最快的制冷设备,可穿戴的薄膜热电冷却器(TFTEC),并与神经科学家帮助截肢者与他们的幻肢感知温度的感觉。这个进步,第一批的,使一个有用的新功能对于不同的应用程序,包括改善假体、触觉为新模式在增强现实(AR)和thermally-modulated治疗疼痛管理等应用程序。技术也有各种潜在的工业和研究应用,比如电子冷却和激光和能源获取卫星。

APL TFTEC发展始于2016年罗摩文卡塔萨布拉曼尼亚半导体器件工程师兼首席技术专家对APL热电技术的研究,开始发展先进纳米工程热电材料和设备的国防高级研究计划局(DARPA)矩阵程序。支持矩阵,APL发达先进的薄膜热电材料称为控制分层次设计超晶格结构(象棋),启用一套全新的转导功能几个国防部应用程序,包括冷却电脑芯片和引擎组件。

文卡塔萨布拉曼尼亚在象棋热电技术的进步非常重要在2019年底鲍比骑士的扈从监督APL的探索性的科学分支,想知道他的设备可以用来促进温度感觉的幻肢截肢者提高假体。自2006年以来,APL DARPA的领先革命性修复计划,努力专注于创造一个精神控制假肢,近似自然运动和感觉功能恢复上肢截肢的病人。

“我们知道我们可以刺激人的特定部分截肢肢体感觉触感和振动,但没有人能够创建一个冷却感觉速度、强度和效率来恢复自然热感知与假体系统,”骑士的扈从。“恢复温度感觉已经实际应用——像识别冷饮料,以及有可能提高假肢器官的情感体现,或许感觉亲人的温暖的手。”

文卡塔萨布拉曼尼亚和热电技术团队开始与骑士的扈从和一个神经科学家团队合作机器人作为研究的一部分,康复中心支持的科学研究在物理医学与康复部的(pm r)的健康科学统一服务大学(通常),通过从亨利·m·杰克逊基金会subaward军事医学发展快速创建一个可穿戴的热电冷却器和强烈的足以匹配人体迅速感觉温度变化的能力。

,可穿戴TFTEC成立。

“我们TFTEC只是略高于1毫米厚,重量只有0.05克,类似于薄胶布绷带,并能提供强烈的冷却在不到一秒钟的时间,”文卡塔萨布拉曼尼亚说。“还两倍的能源效率比今天最常见的热电装置,可以随时使用半导体制造工具,也用于制造发光二极管(led)。这是一个令人兴奋的发展,可能会对假体和触觉技术应用有巨大的影响。”

测试TFTEC的效果,研究人员绘制热感觉的幻影四截肢者手中。

“当一个人失去肢体的一部分,神经在残肢仍然存在,这可能导致的“幻影”肢体感觉,”说卢克·奥斯本神经工程学研究员领导APL的非侵入性神经模拟工作。“你可以把电极放在不同部分截肢的上臂,这些神经植入和刺激的感觉,通常的压力,但在目前的情况下,温度,个人可以告诉我们他们在幻手感觉那些感觉。”

自然生物医学工程最近发表APL的广泛TFTEC研究结果对于这种感觉应用程序,其中包括实验室规模特征,与截肢者和一个真实的示范试验的方法。研究指出,TFTEC引起冷却的幻肢感觉所有的参与者在寒冷的检测任务,而传统的热电技术只在其中一半——TFTEC这样做快8倍和三倍强度。此外,TFTEC使用一半的能源相比,当前热电设备。

“我们发现TFTEC设备在创造更好更快更强烈冷却感觉与传统设备相比,即使目标温度是相同的,”奥斯本说。”,帮助参与者更快做出决定和观察。”

刺激网站测试参与者保持不变超过48周的测试,表明该技术可以让用户感觉温度在他们失踪手中多年。这个时间稳定性和可穿戴的过程是吸引采用实际使用。

“当我们开始我们的工作在2020年3月,我们意识到在几个试验我们可以刺激的幻肢截肢者,”文卡塔萨布拉曼尼亚说。“我们听到参与者说,‘是的,我立即感到寒冷的感觉和刺痛。”

APL团队继续完善方法通过测试几个截肢患者以及那些拥有一个完整的肢体。“这些都是我们作为科学家的梦想的发展,”文卡塔萨布拉曼尼亚继续说。“我们花好几年的时间在实验室里,并看到我们的技术对人的生活质量产生影响,就像一个被截肢者感知的自然热的世界,非常满意。”

能产生现实的人类和翔实的热信号的感知——在一小部分的能量和规模相比,今天的冷却技术,设备的低调、高速和轻量级的本性使他们适用于皮肤表面应用程序没有障碍可能影响运动。

“这是伟大的翻译这APL-developed热电技术到医疗领域通过这个first-of-kind示范截肢,”大卫·德鲁里表示,生物医学工程师和项目经理在APL的国家卫生任务区域。“我们期待扩大更健壮的临床试验的结果,将该设备集成到其他可穿戴形式因素很容易部署个人需要感觉的恢复或触觉反馈。”

生物医学工程师和项目经理助理凯蒂Carneal生物医学工程师和助理项目经理领导创新健康相关研究APL看到一组庞大的小型热电技术未来的应用。“有很多方法,压力和温度的感觉影响人类的身体,“Carneal说。“除了改善截肢患者的生活质量,我们开了很多研究的大门,可以帮助我们学习和发现新的神经肌肉疾病或慢性疼痛的治疗方法。”

博士保罗•Pasquina pm r在一般的椅子上,回荡,热情而赞扬APL的工作团队。“特权是使用这样的专家工程师们想出解决方案帮助现实世界的病人,包括我们的伤员和肢体的损失,”他说。

APL是唯一有资格对小说健康推进门“可能”的艺术应用程序通过探索这个十字路口的材料科学和电子设备工程与生物学和神经科学。除了革命性修复程序,APL是取得重大的进步神经接口研究,提高基因组学工具和监控身体上的疲劳防止作战人员伤害其他许多发展中国家卫生任务区域。

参考:奥斯勒,文卡塔萨布拉曼尼亚R,尹浩然,Himmtann。唤起自然热感知使用薄膜热电设备冷却高功率密度和速度。Nat生物医学中。2023年。doi:10.1038 / s41551 - 023 - 01070 - w

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