„Udało nam się wykazać po raz pierwszy w pełni neuronową kontrolę chodzenia bionicznego” – powiedział Hyunkyun Chang, pierwszy autor badania i doktorant w MIT.
Większość zaawansowanych protez bionicznych opiera się na zaprogramowanych poleceniach robotów, a nie na sygnałach mózgowych użytkownika. Zaawansowane technologie robotyczne potrafią wyczuwać otoczenie i wielokrotnie wykonywać wcześniej określone ruchy nóg, aby pomóc osobie poruszać się po tego typu terenie.
Jednak wiele z tych robotów najlepiej sprawdza się na nierównych powierzchniach i ma trudności z pokonywaniem typowych przeszkód, takich jak wyboje czy kałuże. Kiedy proteza jest w ruchu, szczególnie w odpowiedzi na nagłe zmiany terenu, użytkownik protezy często ma niewiele do powiedzenia w kwestii jej dopasowania.
„Kiedy chodzę, algorytm wysyła polecenia do silnika, więc mam wrażenie, że chodzę, ale tak nie jest” – powiedział Hugh Herr, główny badacz badania oraz profesor sztuki i nauk o mediach w MIT. Pionier w dziedzinie biomechatroniki, dziedziny łączącej biologię z elektroniką i mechaniką. Kilka lat temu Herrowi w wyniku odmrożeń amputowano nogi poniżej kolan i korzysta z zaawansowanej protetyki robotycznej.
„Istnieje coraz więcej dowodów [showing] „Po podłączeniu mózgu do protezy mechatronicznej pojawia się metafora, w której osoba postrzega protezę kończyny jako naturalne przedłużenie swojego ciała” – powiedział Herr.
Autorzy współpracowali z 14 uczestnikami badania, z których połowa przeszła amputację poniżej kolana metodą zwaną interfejsem mięśniowo-nerwowym agonista-antagonista (AMI), a druga połowa przeszła tradycyjną amputację.
„Naprawdę fajne w tym jest to, jak poprawia to innowacje chirurgiczne dzięki innowacjom technologicznym” – powiedział Conor Walsh, profesor w Harvard School of Engineering and Applied Sciences, który specjalizuje się w opracowywaniu przenośnych robotów wspomagających i nie był zaangażowany w badanie.
Amputacja AMI została opracowana w celu przezwyciężenia ograniczeń tradycyjnej operacji amputacji, która przecina krytyczne przyczepy mięśniowe w miejscu amputacji.
Ruchy są możliwe dzięki poruszaniu się parami mięśni. Jeden mięsień – zwany agonistą – kurczy się, aby poruszyć stawem, a drugi – zwany antagonistą – w odpowiedzi się wydłuża. Na przykład podczas uginania bicepsa mięsień dwugłowy jest agonistą, ponieważ kurczy się, aby unieść przedramię do góry, podczas gdy mięsień trójgłowy jest antagonistą, ponieważ aktywuje ruch.
Kiedy operacja powoduje odcięcie amputowanych par mięśni, zdolność pacjenta do wyczuwania pooperacyjnych skurczów mięśni jest upośledzona, co pogarsza jego zdolność do dokładnego i dobrego wyczucia położenia protezy w przestrzeni.
Natomiast procedura AMI ponownie łączy mięśnie w pozostałym stawie.
„To badanie wpisuje się w ruch w kierunku technologii syntetycznych nowej generacji” – powiedział Eric Rombokas, adiunkt inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Waszyngtońskim, który nie był zaangażowany w badanie.
Amputacja poniżej kolana nazywana jest procedurą AMI Amputacja Ewinga W 2016 roku został pierwszą osobą od czasu Jima Ewinga, która przeszła zabieg.
Pacjenci, którzy przeszli amputacje Ewinga, doświadczyli mniejszego zaniku mięśni w kończynach, które przeżyły, i mniejszego bólu fantomowego, czyli uczucia dyskomfortu w kończynie, która już nie istnieje.
Naukowcy wyposażyli wszystkich uczestników w nowatorski staw bioniczny, który składa się ze sztucznej kostki – urządzenia mierzącego ruch mięśni i aktywność elektryczną za pomocą elektrod umieszczonych na powierzchni skóry.
Mózg wysyła impulsy elektryczne do mięśni, powodując ich skurcz. Skurcze generują własne sygnały elektryczne, które są wykrywane przez elektrody i wysyłane do maleńkich komputerów wewnątrz protezy. Komputery przekształcają te sygnały elektryczne w moc i ruch protezy.
Uczestniczka badania Amy Pietrafitta, której amputowano Ewinga po poważnych oparzeniach, stwierdziła, że bioniczny staw dał jej możliwość wskazywania obu nóg i ponownego wykonywania ruchów tanecznych.
„Taka elastyczność jest bardzo realna” – powiedziała Pietrafitta. „Wydawało mi się, że wszystko tam jest”.
Dzięki wzmocnionym zmysłom mięśni uczestnicy po amputacjach Ewinga mogli używać swoich bionicznych kończyn do szybszego i bardziej naturalnego chodu niż osoby po amputacji w tradycyjny sposób.
Kiedy dana osoba musi odejść od normalnego sposobu chodzenia, może być zmuszona do cięższej pracy, aby się poruszać.
„Ten wydatek energetyczny… sprawia, że nasze serce i płuca pracują ciężej… i może prowadzić do stopniowego niszczenia stawów biodrowych lub dolnej części kręgosłupa” – mówi Matthew J., chirurg plastyczny rekonstrukcyjny w Brigham and Women’s Szpital. Powiedział Cardi. i był pierwszym lekarzem, który przeprowadził zabieg AMI.
Pacjenci, którzy otrzymali amputację Ewinga i nową protezę, mogli z łatwością poruszać się po rampach i schodach. Stopniowo poprawiali stopy, aby zepchnąć się ze schodów i zamortyzować wstrząs podczas upadku.
Naukowcy mają nadzieję, że nowa proteza będzie dostępna na rynku w ciągu najbliższych pięciu lat.
„Zaczynamy dostrzegać tę chwalebną przyszłość, w której człowiek może stracić dużą część swojego ciała i dysponować technologią pozwalającą na zrekonstruowanie tego aspektu ciała, aby mógł w pełni funkcjonować” – powiedział Herr.
