Modernūs galūnių protezai gali padėti amputuotiems žmonėms natūraliai vaikščioti, tačiau jie nesuteikia vartotojui visiškos galūnės nervinės kontrolės. Vietoj to, jie pasikliauja robotais jutikliais ir valdikliais, kurie judina galūnę naudodami iš anksto nustatytus eisenos algoritmus.
Naudodami naujo tipo chirurginę intervenciją ir neuroprotezavimo sąsają, MIT tyrėjai, bendradarbiaudami su kolegomis iš Brigham ir Moterų ligoninės, parodė, kad natūralią eiseną galima pasiekti naudojant protezuotą koją, kurią visiškai varo paties kūno nervų sistema. Chirurginės amputacijos procedūros metu vėl sujungiami liekamosios galūnės raumenys, todėl pacientai gali gauti „proprioreceptinį“ grįžtamąjį ryšį apie tai, kur erdvėje yra jų protezuota galūnė.
Ištyrus septynis pacientus, kuriems buvo atlikta ši operacija, MIT komanda nustatė, kad jie galėjo vaikščioti greičiau, išvengti kliūčių ir lipti laiptais daug natūraliau nei žmonės, kuriems atlikta tradicinė amputacija.
„Tai pirmasis protezavimo tyrimas istorijoje, parodantis, kad kojos protezas, esant visiškam nerviniam moduliavimui, atsiranda biomimetinė eisena. Niekam nepavyko parodyti tokio smegenų valdymo lygio, kuris sukuria natūralią eiseną, kai žmogaus nervų sistema kontroliuoja judėjimas, o ne robotų valdymo algoritmas“, – sako Hugh Herr, medijų menų ir mokslų profesorius, MIT K. Lisa Yang bionikos centro direktorius, MIT McGovern smegenų tyrimų instituto asocijuotas narys. vyresnysis naujojo tyrimo autorius.
Po šios operacijos, kuri vadinama agonisto ir antagonisto mioneurine sąsaja (AMI), pacientai taip pat patyrė mažiau skausmo ir raumenų atrofijos. Iki šiol apie 60 pacientų visame pasaulyje buvo atliktos tokio tipo operacijos, kurios gali būti atliekamos ir žmonėms, kuriems buvo amputuota ranka.
Hyungeun Song, MIT žiniasklaidos laboratorijos postdoc, yra pagrindinis šio straipsnio, kuris pasirodo Gamtos medicina.
Sensorinis grįžtamasis ryšys
Daugumą galūnių judesių kontroliuoja poros raumenų, kurios pakaitomis tempiasi ir susitraukia. Atliekant tradicinę amputaciją žemiau kelių, sutrinka šių porinių raumenų sąveika. Dėl to nervų sistemai labai sunku pajusti raumens padėtį ir jo susitraukimo greitį – jutimo informacija, kuri yra labai svarbi smegenims sprendžiant, kaip judinti galūnę.
Žmonėms, kuriems atlikta tokia amputacija, gali kilti problemų valdant protezuotą galūnę, nes jie negali tiksliai pajusti, kur galūnė yra erdvėje. Vietoj to, jie remiasi robotais valdikliais, įtaisytais protezinėje galūnėje. Šiose galūnėse taip pat yra jutiklių, kurie gali aptikti ir prisitaikyti prie šlaitų ir kliūčių.
Norėdami padėti žmonėms pasiekti natūralią eiseną visiškai kontroliuojant nervų sistemą, Herr ir jo kolegos prieš keletą metų pradėjo kurti AMI operaciją. Užuot nutraukę natūralią agonisto ir antagonisto raumenų sąveiką, jie sujungia du raumenų galus taip, kad jie vis tiek dinamiškai susisiektų vienas su kitu likusioje galūnėje. Ši operacija gali būti atliekama pirminės amputacijos metu arba raumenys gali būti vėl prijungti po pirminės amputacijos kaip peržiūros procedūros dalis.
„Naudodami AMI amputacijos procedūrą, kiek įmanoma stengiamės fiziologiniu būdu sujungti vietinius agonistus su vietiniais antagonistais, kad po amputacijos žmogus galėtų perkelti visą savo fantominę galūnę, turėdamas fiziologinį propriocepcijos lygį ir judesių diapazoną. Ponas sako.
2021 m. atliktame tyrime Herr laboratorija nustatė, kad pacientai, kuriems buvo atlikta ši operacija, galėjo tiksliau valdyti amputuotos galūnės raumenis ir kad šie raumenys skleidžia elektrinius signalus, panašius į nepažeistos galūnės signalus.
Po šių vilčių teikiančių rezultatų mokslininkai nusprendė ištirti, ar tie elektriniai signalai gali generuoti komandas protezuojamai galūnei ir tuo pačiu metu suteikti naudotojui atsiliepimų apie galūnės padėtį erdvėje. Asmuo, nešiojantis galūnės protezą, gali panaudoti tą proprioreceptinį grįžtamąjį ryšį, norėdamas prireikus pakoreguoti savo eiseną.
Naujajame tyrime MIT komanda nustatė, kad šis jutiminis grįžtamasis ryšys iš tikrųjų tapo sklandžiu, beveik natūraliu gebėjimu vaikščioti ir įveikti kliūtis.
„Dėl AMI neuroprotezavimo sąsajos galėjome sustiprinti tą nervinį signalizavimą, išsaugodami tiek, kiek galėjome. Taip buvo atkurtas žmogaus nervinis gebėjimas nuolat ir tiesiogiai valdyti visą eiseną skirtingu ėjimo greičiu, laiptais, šlaitais. , net peržengiant kliūtis“, – sako Song.
Natūrali eisena
Šiame tyrime mokslininkai palygino septynis žmones, kuriems buvo atlikta AMI operacija, su septyniais, kuriems buvo atlikta tradicinė amputacija žemiau kelių.
Visi tiriamieji naudojo to paties tipo bionines galūnes: protezą su maitinama čiurna, taip pat elektrodus, kurie gali pajusti elektromiografijos (EMG) signalus iš priekinio blauzdikaulio, esančio už gastrocnemius raumenų. Šie signalai tiekiami į robotą valdiklį, kuris padeda protezui apskaičiuoti, kiek reikia sulenkti kulkšnį, kokį sukimo momentą taikyti ar kiek galios tiekti.
Tyrėjai išbandė tiriamuosius keliomis skirtingomis situacijomis: vaikščiodami lygia žeme 10 metrų taku, einant šlaitu, einant žemyn rampa, einant aukštyn ir žemyn laiptais ir einant lygiu paviršiumi, vengiant kliūčių.
Atlikdami visas šias užduotis, žmonės, turintys AMI neuroprotezavimo sąsają, galėjo vaikščioti greičiau – maždaug tokiu pat greičiu, kaip žmonės be amputacijų – ir lengviau apvažiuoti kliūtis. Jie taip pat rodė natūralesnius judesius, pvz., nukreipdavo protezo pirštus į viršų lipant laiptais arba lipant per kliūtį, ir jie galėjo geriau koordinuoti savo protezuotos galūnės ir nepažeistos galūnės judesius. Jie taip pat sugebėjo atsiplėšti nuo žemės tokia pačia jėga, kaip ir be amputacijos.
„Su AMI kohorta matėme natūralų biomimetinį elgesį“, – sako Herr. „Kohorta, kuri neturėjo AMI, galėjo vaikščioti, tačiau protezavimo judesiai nebuvo natūralūs ir jų judesiai paprastai buvo lėtesni.
Šis natūralus elgesys atsirado, nors AMI suteiktų jutiminių atsiliepimų kiekis buvo mažesnis nei 20% to, ką paprastai gautų žmonės be amputacijos.
„Viena iš pagrindinių išvadų yra tai, kad šiek tiek padidinus nervinį grįžtamąjį ryšį iš amputuotos galūnės, galima atkurti reikšmingą bioninį nervinį valdymą iki taško, kuriame žmonės gali tiesiogiai nerviniu būdu valdyti ėjimo greitį, prisitaikyti prie skirtingo reljefo ir išvengti kliūčių. “, – sako Song.
„Šis darbas yra dar vienas žingsnis, rodantis, ką įmanoma atkurti pacientų, patyrusių sunkų galūnių sužalojimą, funkciją. Bendromis pastangomis, tokiomis kaip šis, galime pasiekti pertvarkos pacientų priežiūros pažangą”, – sako Matthew. Carty, Brigham ir moterų ligoninės chirurgas ir Harvardo medicinos mokyklos docentas, kuris taip pat yra šio straipsnio autorius.
Neuroninio valdymo įgalinimas galūnę naudojančiam asmeniui yra žingsnis link Herr laboratorijos tikslo „atstatyti žmogaus kūnus“, o ne priversti žmones pasikliauti vis sudėtingesniais robotais valdikliais ir jutikliais – įrankiais, kurie yra galingi, bet nesijaučia vartotojo dalimi. kūnas.
„Tokio ilgalaikio požiūrio problema yra ta, kad vartotojas niekada nesijaus įkūnytas su savo protezu. Jie niekada nežiūrėtų į protezą kaip savo kūno, savęs dalį”, – sako Herr. „Mes laikomės požiūrio, kuriuo siekiama visapusiškai sujungti žmogaus smegenis su elektromechanika.