Vědci vyvíjejí mozkem řízenou protetiku pro lidi s amputací nohou

„Podařilo se nám prokázat první úplnou nervovou kontrolu robotické chůze,“ řekl Hyungyeon Song, první autor studie a postdoktorandský výzkumník na MIT.

Většina moderních protetických končetin se spoléhá spíše na předem naprogramované robotické příkazy než na signály mozku uživatele. Pokročilé robotické technologie dokážou snímat prostředí a opakovaně aktivovat předem určený pohyb nohou, aby pomohl člověku navigovat se v tomto typu terénu.

Ale mnoho z těchto robotů funguje nejlépe na rovné zemi a mají potíže s překonáváním běžných překážek, jako jsou hrboly nebo louže. Osoba, která nosí protézu, často nemá žádné slovo při seřizování protézy, jakmile je posunuta, zejména v reakci na náhlé změny terénu.

„Když jdu, mám pocit, jako bych šel, protože algoritmus posílá příkazy motoru, a to já nedělám,“ řekl Hugh Hare, hlavní výzkumník studie a profesor mediálních umění a věd na MIT. Průkopník v oblasti biomechatroniky, oboru, který propojuje biologii s elektronikou a mechanikou. Herrovi před několika lety kvůli omrzlinám amputovali nohy pod kolenem a používá pokročilou robotickou protetiku.

„Existuje rostoucí množství důkazů.“ [showing] „Když připojíte mozek k mechatronické protéze, existuje ztělesnění, které nastane, kdy jednotlivec pohlíží na protetiku jako na přirozené prodloužení svého těla,“ řekl Hare.

Výzkumníci pracovali se 14 účastníky studie, z nichž polovina podstoupila amputace pod kolenem prostřednictvím přístupu známého jako agonistické neuromuskulární rozhraní (AMI), zatímco druhá polovina podstoupila tradiční amputace.

„Co je na tom skvělé, je to, jak využívá chirurgické inovace vedle technologických inovací,“ řekl Connor Walsh, profesor na Harvard’s School of Engineering and Applied Science, který se specializuje na vývoj nositelných asistenčních robotů a do studie se nepodílel.

Amputace AMI byla vyvinuta tak, aby řešila omezení tradiční operace amputace nohy, která přerušuje důležitá svalová spojení v místě amputace.

Pohyby jsou umožněny tím, jak se svaly pohybují ve dvojicích. Jeden sval – známý jako excitační sval – se stahuje, aby pohnul končetinou, a další – známý jako antagonistický sval – se v reakci prodlouží. Například během cvičení biceps curl je biceps spouštěcím svalem, protože se stahuje, aby zvedl předloktí nahoru, zatímco triceps je antagonista, protože se prodlužuje, aby umožnil pohyb.

Když chirurgická amputace vede k přerušení svalových párů, je ovlivněna schopnost pacienta cítit svalové kontrakce po operaci a v důsledku toho je ovlivněna jeho schopnost přesně a dobře vycítit, kde se protéza v prostoru nachází.

Naproti tomu AMI znovu spojuje svaly ve zbytkové končetině, aby replikovala cennou svalovou zpětnou vazbu, kterou člověk dostává z neporušené končetiny.

Studie je „součástí hnutí za protetické technologie nové generace, které se zabývají pocitem, nejen pohybem,“ řekl Eric Rombukas, odborný asistent strojního inženýrství na Washingtonské univerzitě, který se na studii nepodílel.

Postup AMI pro amputaci pod kolenem je pojmenován po Petr Ewing Po Jimu Ewingovi první člověk, který podstoupil tento zákrok v roce 2016.

Pacienti, kteří podstoupili Ewingovu amputaci, zaznamenali menší svalovou atrofii na zbývající končetině a menší fantomovou bolest, pocit nepohodlí v končetině, která již neexistuje.

Vědci vybavili všechny účastníky novou protetikou sestávající z umělého kotníku, zařízení, které měří elektrickou aktivitu z pohybu svalů a elektrod umístěných na povrchu kůže.

Mozek vysílá elektrické impulsy do svalů, což způsobuje jejich kontrakci. Kontrakce produkují vlastní elektrické signály, které jsou detekovány elektrodami a odesílány do malých počítačů na protéze. Počítače pak tyto elektrické signály převádějí na sílu a pohyb protetické končetiny.

Protetika jí dala schopnost ukazovat obě chodidla a znovu provádět taneční pohyby, řekla Amy Pietravetta, účastnice studie, která podstoupila Ewingovu amputaci poté, co utrpěla těžké popáleniny.

„Možnost mít takový druh flexe to udělala realističtější,“ řekl Pietrafitta. „Vypadalo to, jako by tam bylo všechno.“

Díky zesíleným svalovým vjemům mohli účastníci, kteří podstoupili Ewingovu amputaci, používat své bionické končetiny k rychlejší a přirozenější chůzi než ti, kteří podstoupili tradiční amputace.

Když se člověk musí odchýlit od normálních vzorců chůze, musí se obvykle více snažit, aby se obešel.

Matthew J. řekl: „Výdej energie… způsobuje, že naše srdce pracuje tvrději a naše plíce pracují tvrději… a může vést k postupné destrukci našich kyčelních kloubů nebo spodní části naší páteře,“ řekl Dr. Carty, rekonstrukční plastický chirurg z Brigham and ženská nemocnice. A první lékař, který provedl operaci AMI.

Pacienti, kteří podstoupili Ewingovu amputaci a novou protézu, se také mohli snadno pohybovat na svazích a schodech. Byli schopni plynule nastavit nohy, aby se poháněli po schodech a absorbovali nárazy při sestupu.

Vědci doufají, že nová protetika bude komerčně dostupná v příštích pěti letech.

„Začínáme nahlížet na tuto slavnou budoucnost, kdy člověk může ztratit značnou část svého těla, a k dispozici je technologie, která tento aspekt jeho těla přebuduje na plnou funkci,“ řekl Hare.