Voor het eerst kon een kleine groep patiënten met amputaties onder de knie de beweging van hun prothesebenen controleren via neurale signalen – in plaats van te vertrouwen op geprogrammeerde cycli voor de gehele of een deel van de beweging – en blijven lopen met een natuurlijke gang. . De prestatie vereiste gespecialiseerde amputatiechirurgie in combinatie met de niet-invasieve verbinding van een oppervlakte-elektrode met een robotonderbeenprothese. Een studie waarin de technologieën worden beschreven, wordt vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Natuurlijk medicijn.
‘Wat er dan gebeurt, is heel wonderbaarlijk. Patiënten met deze neurale interface kunnen met normale snelheid lopen; en trappen en hellingen op en af; en manoeuvreer door obstakels zonder er echt over na te denken. Het is natuurlijk. Het is onbedoeld”, zegt co-auteur Hugh Herr, die bionische protheses ontwikkelt aan het MIT Media Lab.“Ook al is hun ledemaat gemaakt van titanium en silicium – al deze verschillende elektromechanische componenten – voelt het ledemaat natuurlijk aan en beweegt het natuurlijk, zelfs zonder dat er bewust bij wordt nagedacht.”
De aanpak is gebaseerd op een operatie op de amputatieplaats om te creëren wat onderzoekers een amputatie noemen agonist-antagonist myoneurale interface, of AMI. De procedure omvat de verbinding van spierparen (in het geval van een amputatie onder de knie twee paar), evenals de introductie van beschermde synthetische elementen.
De interface creëert een tweerichtingsverbinding tussen het lichaam en de machine. Spiergevoelige elektroden sturen signalen naar een kleine computer in het protheselidmaat, die deze interpreteert als hoeken en krachten voor de gewrichten in de enkel en de bal van de voet. Het verzendt ook informatie over de positie van het kunstbeen, waardoor een gevoel wordt geretourneerd van waar het ledemaat zich in de ruimte bevindt, ook wel bekend als proprioceptie.
Video 1www.youtube.com
“De specifieke manier van controle gaat veel verder dan wat iemand anders heeft bedacht”, zegt Daniel Ferris, een neuromechanisch ingenieur aan de Universiteit van Florida; Ferris was niet betrokken bij het onderzoek, maar werkte aan neurale interfaces om prothesen van de onderste ledematen te controleren. “Het is een heel nieuw idee dat ze de afgelopen acht jaar hebben ontwikkeld en het laat echt positieve resultaten zien voor betere bionische onderbenen.” De nieuwste publicatie valt op door het grotere aantal deelnemers dan eerdere onderzoeken, met zeven behandelingspatiënten en zeven controlepatiënten met amputaties en typische prothesebenen.
Om de bionische benen te testen, werd patiënten gevraagd met verschillende snelheden op vlakke grond te lopen; hellingen en trappen op en af; en voor het manoeuvreren rond obstakels. AMI-gebruikers hadden een natuurlijker looppatroon, dat meer leek op de beweging van iemand die een natuurlijk ledemaat gebruikt. Een meer natuurlijke beweging kan de bewegingsvrijheid verbeteren, vooral op uitdagend terrein, maar in andere onderzoeken hebben onderzoekers ook lagere energiekosten, verminderde belasting van het lichaam en zelfs sociale voordelen voor sommige geamputeerden opgemerkt.
Co-auteur Hyungeun Song, een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT, zegt dat de groep verrast was door de efficiëntie van de bionische opstelling. De prothetische interface stuurde slechts 18 procent van de typische hoeveelheid informatie die van de ledematen naar de wervelkolom werd gestuurd, maar het was voldoende om de patiënten in staat te stellen te lopen met wat als een normale gang werd beschouwd.
Volgende stappen voor het bionische been
AIM-amputaties zijn nu standaard geworden in het Brigham and Women’s Hospital in Massachusetts, waar co-auteur Matthew Carty werkt. En vanwege de voordelen voor patiënten in termen van pijn en gebruiksgemak van zelfs passieve (of niet-robotische) protheses, zou deze techniek – of iets dergelijks – tot ver buiten de huidige onderzoeksomgeving kunnen worden uitgebreid. Tot nu toe hebben ongeveer 60 mensen wereldwijd een operatie ondergaan voor AMI boven of onder de elleboog of knie.
In principe, zei de heer, zou iemand met een eerder geamputeerd ledemaat, zoals hijzelf, een AIM-rehabilitatie kunnen ondergaan, en hij overweegt de procedure sterk. Meer dan 2 miljoen Amerikanen Volgens de Amputee Coalition leven ze momenteel met een verloren ledemaat, en in de Verenigde Staten worden jaarlijks bijna 200.000 onderbenen geamputeerd.
Op het gebied van robotica zijn er al commerciële beenprothesen die compatibel zouden kunnen zijn met een neurale interface. Het gebied dat het meeste ontwikkeling behoeft, is de verbinding tussen de amputatieplaats en de prothese. De heer zegt dat de commercialisering van die interface over ongeveer vijf jaar kan duren.
De heer zegt dat zijn langetermijndoel neurale integratie en belichaming is: het gevoel dat de prothese deel uitmaakt van het lichaam en niet een hulpmiddel. De nieuwe studie “is een cruciale stap voorwaarts – bedoelde woordspeling.”