Nowa proteza nogi kontrolowana bezpośrednio przez układ nerwowy pozwala osobom po amputacji szybciej chodzić i łatwiej omijać przeszkody. Umożliwia też na odczuwanie położenia kończyny w przestrzeni.
Najnowocześniejsze protezy kończyn mogą pomóc osobom po amputacji osiągnąć naturalny chód, lepszą stabilność i szybkość poruszania się. Bioniczna kończyna dla osób po amputacjach poniżej kolana opracowana przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology oraz Brigham and Women’s Hospital wykorzystuje interfejs komputerowy, który wzmacnia sygnały nerwowe z mięśni w pozostałej części nogi i pozwala użytkownikowi poruszać protezą za pomocą własnych myśli i naturalnych odruchów. Dzięki niej osoby po amputacji mogą chodzić bardziej naturalnie, są bardziej stabilne na schodach i nierównym podłożu i poruszają się o 41 proc. szybciej niż wtedy, gdy używały standardowych protez.
Opis oraz rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Nature Medicine” (DOI: 10.1038/s41591-024-02994-9).
Pełna kontrola ruchu
Nowo opracowane urządzenie pozwala użytkownikowi zginać czy obracać protetyczną stopę używając wyłącznie myśli. Bioniczna noga działa poprzez odczytywanie aktywności w resztkach mięśni amputowanej nogi pacjenta i wykorzystuje te sygnały do sterowania protezą.
– Nikt nie był w stanie wykazać takiego poziomu kontroli mózgu, zapewniającego naturalny chód, w którym ludzki układ nerwowy kontroluje ruch, a nie algorytm sterowania — powiedział prof. Hugh Herr z MIT, starszy autor badania. Według niego użytkownicy nowej, bionicznej nogi będą mogli nie tylko chodzić po płaskiej powierzchni, ale też wybrać się na pieszą wędrówkę lub potańczyć, ponieważ będą mieli pełną kontrolę nad swoim ruchem.
– To pierwsze badanie, które demonstruje naturalne wzorce chodu z pełną modulacją neuronalną, w której mózg osoby w 100 procentach kontroluje protezę bioniczną. Mimo że kończyna jest wykonana z tytanu i silikonu oraz wszystkich tych różnych elementów elektromechanicznych, wydaje się naturalna i porusza się naturalnie, nawet bez świadomej myśli — dodał Herr.
Herr stracił obie nogi w 1982 roku. Doznał poważnych odmrożeń, gdy podczas wspinaczki zaskoczyła go zamieć śnieżna. Jego nogi amputowano dziesiątki lat temu, ale mimo to Herr ma nadzieję na ponowną operację, aby móc w przyszłości skorzystać z pary bionicznych nóg.
Bioniczna noga
Większość ruchów kończyn jest kontrolowana przez pary mięśni, które na zmianę się rozciągają i kurczą. Podczas tradycyjnej amputacji poniżej kolana interakcje tych par mięśni zostają zaburzone. Utrudnia to układowi nerwowemu wyczuwanie położenia mięśnia i szybkości jego kurczenia się — informacji sensorycznych, które są kluczowe dla mózgu, aby zdecydować, jak poruszać kończyną. Osoby z tego rodzaju amputacją mogą mieć problemy z kontrolowaniem swojej protezy, bo nie potrafią dokładnie wyczuć, gdzie kończyna znajduje się w przestrzeni.
Większość istniejących bionicznych kończyn opiera się na wstępnie zdefiniowanych algorytmach, które sterują ruchem kończyny i mogą przełączać się między różnymi trybami pracy w różnych warunkach chodzenia. Tego typu zaawansowane modele pomogły osobom po amputacjach chodzić, biegać i wchodzić po schodach płynniej, ale to algorytm, a nie użytkownik, zachowuje kontrolę nad ruchem nogi.
Udoskonalając swoje protezy zespół badaczy opracował interfejs, który steruje robotyczną kończyną za pomocą sygnałów z nerwów i mięśni, które pozostały po amputacji. Jednak wcześniej trzeba te mięśnie i nerwy ponownie połączyć w kikucie kończyny. Stosowana jest do tego metoda chirurgiczna nazywana agonist-antagonist myoneural interface (interfejs mięśniowo-nerwowy agonisty-antagonisty – AMI). Ta operacja zachowuje dwa zestawy połączeń mięśniowych ważnych dla poruszania stopą, które podczas amputacji zostały przerwane. Pozwala to odtworzyć naturalne ruchy mięśni, tak aby skurcz jednego mięśnia rozciągał inny. Pomaga to zmniejszyć ból, zachować masę mięśniową i poprawić komfort korzystania z bionicznej kończyny. Co więcej, pozwala pacjentom otrzymywać proprioceptywne informacje zwrotne o tym, gdzie ich proteza kończyny znajduje się w przestrzeni.
Sama bioniczna noga obejmuje protezę stawu skokowego z osadzonymi w niej czujnikami, wraz z elektrodami przymocowanymi do powierzchni skóry. Przechwytują one sygnały elektryczne wytwarzane przez mięśnie w miejscu amputacji i przesyłają je do małego komputera w celu zdekodowania. Noga waży 2,75 kilograma, co jest podobne do wagi naturalnej kończyny dolnej.
Proteza sterowana przez układ nerwowy
Do badań naukowcy zaprosili 14 osób po amputacjach kończyn dolnych poniżej kolana. Siedmiu z nich przeszło procedurę AMI. Wszyscy badani używali tego samego typu bionicznej kończyny: protezy z zasilaną kostką oraz elektrodami, które mogą wykrywać sygnały elektromiograficzne (EMG) z mięśnia piszczelowego przedniego i mięśnia brzuchatego łydki. Sygnały te są następnie przesyłane do kontrolera, który pomaga protezie obliczyć, jak bardzo zgiąć kostkę, jaki moment obrotowy zastosować lub jaką moc dostarczyć.
Naukowcy testowali badanych w kilku różnych sytuacjach. Uczestnicy chodzili po płaskim terenie, po zboczu, po rampie i po schodach w górę i w dół. Było też chodzenie po równej powierzchni z unikaniem przeszkód. Uczestnicy ćwiczyli ze swoimi nowymi nogami przez sześć godzin dziennie. Następnie naukowcy porównali wyniki pacjentów, którzy przeszli procedurę AMI z grupą kontrolną.
AMI zwiększyła częstotliwość sygnałów mięśniowych do średnio 10,5 impulsów na sekundę, w porównaniu z około 0,7 impulsów na sekundę w grupie kontrolnej. U zdrowego człowieka jest to około 60 impulsów na sekundę. Uczestnicy z pierwszej grupy byli w stanie w pełni kontrolować swoje protezy i chodzili o 41 proc. szybciej niż osoby z grupy kontrolnej. Ich szczytowe prędkości odpowiadały prędkościom osób bez amputacji podczas chodzenia po płaskim terenie.
Podsumowując, we wszystkich zadaniach osoby z nową neuroprotezą były w stanie chodzić szybciej i łatwiej omijać przeszkody. Wykazywały również bardziej naturalne ruchy, takie jak kierowanie palców protezy w górę podczas wchodzenia po schodach lub przechodzenia przez przeszkodę. Były też w stanie lepiej koordynować ruchy swojej protetycznej kończyny i swojej nieuszkodzonej kończyny, jak również odpychać się od podłoża z taką samą siłą jak zdrowa osoba.
– W przypadku kohorty AMI zaobserwowaliśmy pojawienie się naturalnych zachowań biomimetycznych. Kohorta, która nie miała AMI, była w stanie chodzić, ale ruchy protezy nie były naturalne i do tego ogólnie wolniejsze – przyznał Herr. Te naturalne zachowania pojawiły się, mimo że ilość sensorycznej informacji zwrotnej dostarczanej przez AMI stanowiła mniej niż 20 procent tego, co normalnie otrzymują ludzie bez amputacji.
Technologia ta daje nową nadzieję osobom po amputacjach, które chcą odzyskać naturalne wrażenia z chodzenia. – Ludzie po amputacji chcą mieć poczucie kontroli nad swoimi kończynami. Chcą czuć, że kończyna jest częścią ich ciała. Ten rodzaj interfejsu neuronowego jest niezbędny, aby to stworzyć – przyznał Tommaso Lenzi z University of Utah w Salt Lake City.
Zespół MIT chce wprowadzić bioniczną nogę na rynek w ciągu pięciu lat. – To doprowadzi do radykalnej zmiany w opiece klinicznej dla wielu pacjentów na całym świecie. Bardzo zależy nam na udostępnieniu tej technologii potrzebującym – powiedziała Herr.
Źródło: MIT, Nature, Live Science, fot. Pexels/ Lara Jameson
