輔助技術通常利用殘疾人保留的能力，例如眨眼或移動嘴唇和舌頭，來幫助重度癱瘓人士在世界上行動並與他人交流。現在，研究人員首次發明了一種裝置，使癱瘓人士能夠僅透過嗅探來書寫、上網和駕駛電動輪椅。初步測試於7月26日在《美國國家科學院院刊》(PNAS) 上發表，表明許多重度癱瘓人士可以輕鬆掌握“嗅探控制器”，它比其他技術輔助裝置具有某些優勢。
嗅探部分由軟顎中的顱神經控制，軟顎是覆蓋口腔頂部後部的組織。由於顱神經直接從大腦而不是脊髓發出，並且由於它們的神經網路分佈廣泛，許多重度癱瘓人士保留了由顱神經調節的運動，例如眨眼、啜飲和嗅探。“嗅探控制器”由以色列魏茨曼科學研究所的研究人員開發，像套管一樣安裝在鼻子上——套管是醫院用於為患者供氧的小塑膠管。該裝置測量鼻子內的壓力，將嗅探的強度和頻率轉化為計算機或輪椅的電子指令。研究人員還建立了一種被動式嗅探控制器，為使用呼吸機的人提供幾乎相同水平的控制。
Maysam Ghovanloo，佐治亞理工學院的電氣工程師，他一直在為癱瘓人士開發磁性舌頭控制技術，看到了這種新方法的潛力：“殘疾人必須利用他們可能擁有的任何剩餘能力。顱神經是他們可能失去的最後一些神經，儘管因患者而異。就控制方面而言，嗅探很可能效果很好。”
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Anton Plotkin，《PNAS》報告的主要作者，魏茨曼研究所的電子工程師，也為這項新技術提交了專利，他認為這項新研究做出了重大貢獻。“據我們所知，這是首次有人試圖利用嗅探的力量來控制運動和交流，”Plotkin 說。“我們發現嗅探幾乎可以控制任何事物。[它]……非常準確和快速，可以與使用操縱桿或滑鼠進行控制相媲美。”
研究團隊首先在 36 名健康的非癱瘓志願者身上測試了嗅探控制器，他們可以使用該裝置玩一系列電腦遊戲，其準確性與滑鼠或操縱桿一樣。然後，研究人員測試了健康參與者是否可以使用嗅探控制器來引導文字書寫軟體。在螢幕上，游標在字母塊、數字塊和單詞完成框之間不斷跳動，並依次以亮綠色突出顯示每個塊。當游標突出顯示正確的塊時，參與者透過嗅探來停止游標的移動，再次嗅探以在單個塊內的行或字元之間移動。志願者能夠寫出一個 43 個字母的句子，平均每個字母花費 6.73 秒，或每分鐘約 9 或 10 個字母。雖然這可能看起來很乏味，但研究人員解釋說，對於極度癱瘓的人來說，即使是緩慢的表達和交流形式也是受歡迎的。
在健康參與者身上試用嗅探控制器後，研究人員開始對患有閉鎖綜合徵的患者進行試驗，這些患者保持意識和認知能力，但完全無法移動。該團隊的第一個患者是一位 51 歲的女性，她在七個月前中風後患上了閉鎖綜合徵。她可以自主呼吸，但最初無法控制她的眼球運動或正確引導氣流透過她的鼻子。在每天練習 20 分鐘，持續 19 天后，這位女性最終學會了有目的地嗅探，並立即開始使用文字書寫軟體，寫下了她中風後給家人的第一條個人資訊。她平均每個字母花費大約 20 秒——每分鐘寫大約三個字母——比健康志願者花費的時間多兩倍多。然而，研究人員指出，這個速度超過了法國記者和作家讓-多米尼克·鮑比在寫他的小說《潛水鐘與蝴蝶》時的速度，他平均每兩分鐘口述一個單詞，僅使用眨眼。
受到這些結果的鼓舞，Plotkin 及其同事在一位 42 歲的男性身上嘗試了嗅探控制器，該男性在 18 年前的一次車禍後被閉鎖，並且只能透過眨一隻眼睛進行交流。僅練習 20 分鐘後，這位男性就能寫出自己的名字，後來寫道，該裝置比眼動追蹤技術“更舒適，更易於使用”。一位 63 歲的四肢癱瘓女性只能非常困難地說話，她學會了使用嗅探控制器來精確地引導游標，使她能夠在 10 年來首次書寫、上網和傳送電子郵件。然而，一位 64 歲的男性在四年前中風後被閉鎖，他根本無法學會使用嗅探控制器。研究人員不確定這是否是由於裝置的缺陷，或者是因為患者正在經歷嚴重的抑鬱症，可能缺乏學習的意願。“我們在這個人身上完全失敗了，我們不知道該將其歸因於技術還是情緒上的原因，”Plotkin 說。
嗅探控制器不僅可以實現交流，它還為使用輪椅的癱瘓患者提供了一種新的方式來在世界上行動。研究人員設計了一種簡單的程式碼來引導輪椅移動：兩次吸氣表示向前移動；兩次呼氣表示向後移動；吸氣後呼氣表示向左轉；反轉順序表示向右轉。十名健康志願者使用嗅探控制器在一個複雜的 35 米長的賽道上操縱電動輪椅，該賽道有許多 90 度轉彎。儘管他們輕鬆地導航，並且隨著時間的推移有所提高，但患者在使用操縱桿時仍然比依賴嗅探轉向時更準確一些。一位 30 歲的頸部以下癱瘓的四肢癱瘓患者在僅練習 15 分鐘後，學會了像健康參與者一樣精確地透過嗅探引導輪椅。
“我們不能說我們的技術比其他技術具有絕對優勢，”Plotkin 說，“但它比眼動追蹤簡單得多，也便宜得多——而且並非所有閉鎖患者都能真正移動他們的眼睛。但大多數人仍然可以透過軟顎中的顱神經控制他們的嗅探。”Plotkin 還指出，嗅探控制器最大限度地減少了對注視和言語的干擾，即使在嗅探時，也允許可以說話的癱瘓人士繼續這樣做。吸管吸吮和吹氣技術無法實現言語，在這種技術中，癱瘓人士吸入和撥出吸管來控制輪椅或電腦滑鼠。
佐治亞理工學院的 Ghovanloo 想知道嗅探控制器的指令詞彙是否過於有限。吸管吸吮和吹氣技術為使用者提供四個基本指令——重吸、輕吸、重吹和輕吹——一些使用者覺得這很受限制。使用嗅探控制器，實際上只有兩個基本指令——吸氣或呼氣——這就是為什麼輪椅控制需要一系列連續嗅探的程式碼。
Ghovanloo 還擔心嗅探所需的肌肉控制量。“為了改變鼻孔內的壓力，你需要控制你的膈肌。許多高位脊髓損傷患者失去對膈肌的控制，無法自主呼吸。”然而，嗅探控制器可以測量由軟顎調節的嗅探引起的壓力變化，而與呼吸無關。
另一個擔憂是在複雜地形中導航時可能出現過度換氣，或者普通呼吸可能會擾亂嗅探控制器的程式碼並導致輪椅崩潰。“我真正擔心的是正常呼吸如何幹擾這種特定型別的輔助技術，”Ghovanloo 說。“對於跟蹤眼球運動的輔助技術，如果你正在看其他東西，總是有可能計算機將你無關的眼球運動處理為命令。呼吸也可能發生同樣的事情。”
研究人員進行的二氧化碳測試表明，不太可能發生過度換氣。嗅探控制器程式碼要求患者即使對於單個命令也要嗅探多次，這減少了意外嗅探或普通呼吸的干擾。然而，指令和程式碼的複雜性增加可能會妨礙易用性。研究人員僅在一名癱瘓人士身上測試了嗅探驅動的輪椅導航，因此有必要進行進一步測試以找出任何缺陷並確認該技術的總體可行性。