辅助技术通常利用残疾人保留的能力，例如眨眼或移动嘴唇和舌头，来帮助重度瘫痪人士在世界上行动并与他人交流。现在，研究人员首次发明了一种设备，使瘫痪人士能够仅通过嗅探来书写、上网和驾驶电动轮椅。初步测试于7月26日在《美国国家科学院院刊》(PNAS) 上发表，表明许多重度瘫痪人士可以轻松掌握“嗅探控制器”，它比其他技术辅助设备具有某些优势。
嗅探部分由软腭中的颅神经控制，软腭是覆盖口腔顶部后部的组织。由于颅神经直接从大脑而不是脊髓发出，并且由于它们的神经网络分布广泛，许多重度瘫痪人士保留了由颅神经调节的运动，例如眨眼、啜饮和嗅探。“嗅探控制器”由以色列魏茨曼科学研究所的研究人员开发，像套管一样安装在鼻子上——套管是医院用于为患者供氧的小塑料管。该设备测量鼻子内的压力，将嗅探的强度和频率转化为计算机或轮椅的电子指令。研究人员还创建了一种被动式嗅探控制器，为使用呼吸机的人提供几乎相同水平的控制。
Maysam Ghovanloo，佐治亚理工学院的电气工程师，他一直在为瘫痪人士开发磁性舌头控制技术，看到了这种新方法的潜力：“残疾人必须利用他们可能拥有的任何剩余能力。颅神经是他们可能失去的最后一些神经，尽管因患者而异。就控制方面而言，嗅探很可能效果很好。”
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Anton Plotkin，《PNAS》报告的主要作者，魏茨曼研究所的电子工程师，也为这项新技术提交了专利，他认为这项新研究做出了重大贡献。“据我们所知，这是首次有人试图利用嗅探的力量来控制运动和交流，”Plotkin 说。“我们发现嗅探几乎可以控制任何事物。[它]……非常准确和快速，可以与使用操纵杆或鼠标进行控制相媲美。”
研究团队首先在 36 名健康的非瘫痪志愿者身上测试了嗅探控制器，他们可以使用该设备玩一系列电脑游戏，其准确性与鼠标或操纵杆一样。然后，研究人员测试了健康参与者是否可以使用嗅探控制器来引导文本书写软件。在屏幕上，光标在字母块、数字块和单词完成框之间不断跳动，并依次以亮绿色突出显示每个块。当光标突出显示正确的块时，参与者通过嗅探来停止光标的移动，再次嗅探以在单个块内的行或字符之间移动。志愿者能够写出一个 43 个字母的句子，平均每个字母花费 6.73 秒，或每分钟约 9 或 10 个字母。虽然这可能看起来很乏味，但研究人员解释说，对于极度瘫痪的人来说，即使是缓慢的表达和交流形式也是受欢迎的。
在健康参与者身上试用嗅探控制器后，研究人员开始对患有闭锁综合征的患者进行试验，这些患者保持意识和认知能力，但完全无法移动。该团队的第一个患者是一位 51 岁的女性，她在七个月前中风后患上了闭锁综合征。她可以自主呼吸，但最初无法控制她的眼球运动或正确引导气流通过她的鼻子。在每天练习 20 分钟，持续 19 天后，这位女性最终学会了有目的地嗅探，并立即开始使用文本书写软件，写下了她中风后给家人的第一条个人信息。她平均每个字母花费大约 20 秒——每分钟写大约三个字母——比健康志愿者花费的时间多两倍多。然而，研究人员指出，这个速度超过了法国记者和作家让-多米尼克·鲍比在写他的小说《潜水钟与蝴蝶》时的速度，他平均每两分钟口述一个单词，仅使用眨眼。
受到这些结果的鼓舞，Plotkin 及其同事在一位 42 岁的男性身上尝试了嗅探控制器，该男性在 18 年前的一次车祸后被闭锁，并且只能通过眨一只眼睛进行交流。仅练习 20 分钟后，这位男性就能写出自己的名字，后来写道，该设备比眼动追踪技术“更舒适，更易于使用”。一位 63 岁的四肢瘫痪女性只能非常困难地说话，她学会了使用嗅探控制器来精确地引导光标，使她能够在 10 年来首次书写、上网和发送电子邮件。然而，一位 64 岁的男性在四年前中风后被闭锁，他根本无法学会使用嗅探控制器。研究人员不确定这是否是由于设备的缺陷，或者是因为患者正在经历严重的抑郁症，可能缺乏学习的意愿。“我们在这个人身上完全失败了，我们不知道该将其归因于技术还是情绪上的原因，”Plotkin 说。
嗅探控制器不仅可以实现交流，它还为使用轮椅的瘫痪患者提供了一种新的方式来在世界上行动。研究人员设计了一种简单的代码来引导轮椅移动：两次吸气表示向前移动；两次呼气表示向后移动；吸气后呼气表示向左转；反转顺序表示向右转。十名健康志愿者使用嗅探控制器在一个复杂的 35 米长的赛道上操纵电动轮椅，该赛道有许多 90 度转弯。尽管他们轻松地导航，并且随着时间的推移有所提高，但患者在使用操纵杆时仍然比依赖嗅探转向时更准确一些。一位 30 岁的颈部以下瘫痪的四肢瘫痪患者在仅练习 15 分钟后，学会了像健康参与者一样精确地通过嗅探引导轮椅。
“我们不能说我们的技术比其他技术具有绝对优势，”Plotkin 说，“但它比眼动追踪简单得多，也便宜得多——而且并非所有闭锁患者都能真正移动他们的眼睛。但大多数人仍然可以通过软腭中的颅神经控制他们的嗅探。”Plotkin 还指出，嗅探控制器最大限度地减少了对注视和言语的干扰，即使在嗅探时，也允许可以说话的瘫痪人士继续这样做。吸管吸吮和吹气技术无法实现言语，在这种技术中，瘫痪人士吸入和呼出吸管来控制轮椅或电脑鼠标。
佐治亚理工学院的 Ghovanloo 想知道嗅探控制器的指令词汇是否过于有限。吸管吸吮和吹气技术为用户提供四个基本指令——重吸、轻吸、重吹和轻吹——一些用户觉得这很受限制。使用嗅探控制器，实际上只有两个基本指令——吸气或呼气——这就是为什么轮椅控制需要一系列连续嗅探的代码。
Ghovanloo 还担心嗅探所需的肌肉控制量。“为了改变鼻孔内的压力，你需要控制你的膈肌。许多高位脊髓损伤患者失去对膈肌的控制，无法自主呼吸。”然而，嗅探控制器可以测量由软腭调节的嗅探引起的压力变化，而与呼吸无关。
另一个担忧是在复杂地形中导航时可能出现过度换气，或者普通呼吸可能会扰乱嗅探控制器的代码并导致轮椅崩溃。“我真正担心的是正常呼吸如何干扰这种特定类型的辅助技术，”Ghovanloo 说。“对于跟踪眼球运动的辅助技术，如果你正在看其他东西，总是有可能计算机将你无关的眼球运动处理为命令。呼吸也可能发生同样的事情。”
研究人员进行的二氧化碳测试表明，不太可能发生过度换气。嗅探控制器代码要求患者即使对于单个命令也要嗅探多次，这减少了意外嗅探或普通呼吸的干扰。然而，指令和代码的复杂性增加可能会妨碍易用性。研究人员仅在一名瘫痪人士身上测试了嗅探驱动的轮椅导航，因此有必要进行进一步测试以找出任何缺陷并确认该技术的总体可行性。