Cercetătorii dezvoltă o proteză controlată de creier pentru persoanele cu amputații de picioare

„Am fost capabili să demonstrăm primul control neuronal complet al mersului artificial”, a spus Hyungyun Song, primul autor al studiului și cercetător postdoctoral la MIT.

Majoritatea membrelor protetice moderne se bazează mai degrabă pe comenzile robotice preprogramate decât pe semnalele creierului utilizatorului. Tehnologiile robotice avansate pot percepe mediul înconjurător și pot activa în mod repetat o mișcare predeterminată a picioarelor pentru a ajuta o persoană să navigheze pe acest tip de teren.

Dar mulți dintre acești roboți funcționează cel mai bine pe teren plat și întâmpină dificultăți în depășirea obstacolelor comune, cum ar fi denivelări sau bălți. Persoana care poartă proteza de multe ori nu are niciun cuvânt de spus în ajustarea protezei odată ce aceasta este mutată, mai ales ca răspuns la schimbările bruște ale terenului.

„Când merg, simt că cineva mă plimbă pentru că un algoritm trimite comenzi unui motor, iar eu nu sunt asta”. Iepurele i-au fost amputate ambele picioare sub genunchi în urmă cu câțiva ani din cauza degerăturilor și folosește proteze robotizate avansate.

„Există un număr tot mai mare de dovezi [showing] „Când conectați creierul la o proteză mecatronică, întruchiparea are loc în cazul în care individul vede proteza ca pe o extensie naturală a corpului său”, a adăugat Hare.

Autorii au lucrat cu 14 participanți la studiu, dintre care jumătate au primit amputații sub genunchi printr-o abordare cunoscută sub numele de interfață antagonist-mioneurală (AMI), în timp ce cealaltă jumătate a suferit amputații tradiționale.

„Ceea ce este atât de grozav la acest lucru este modul în care valorifică inovația chirurgicală alături de inovația tehnologică”, a spus Connor Walsh, profesor la Școala de Inginerie și Științe Aplicate din Harvard, care este specializat în dezvoltarea roboților de asistare portabili și nu a fost implicat în studiu.

Amputația AMI a fost dezvoltată pentru a aborda limitările intervenției chirurgicale tradiționale de amputare a piciorului, care întrerup conexiunile musculare importante la locul amputației.

Mișcările sunt posibile prin modul în care mușchii lucrează în perechi. Un mușchi – cunoscut sub numele de mușchi excitator – se contractă pentru a mișca un membru, iar un alt mușchi – cunoscut sub numele de mușchi antagonist – se prelungește ca răspuns. De exemplu, în timpul unui exercițiu de curl al bicepsului, bicepsul este mușchiul declanșator, deoarece se contractă pentru a ridica antebrațul în sus, în timp ce tricepsul este antagonistul deoarece se prelungește pentru a permite mișcarea.

Atunci când amputația chirurgicală duce la separarea perechilor de mușchi, este afectată capacitatea pacientului de a simți contracțiile musculare după intervenția chirurgicală, iar acest lucru îi afectează negativ capacitatea de a percepe cu precizie și bine unde se află proteza în spațiu.

În schimb, AMI reconecta mușchii din membrul rezidual pentru a reproduce feedback-ul muscular valoros pe care o persoană îl primește de la membrul intact.

Studiul este „parte a unei mișcări pentru tehnologiile protetice de ultimă generație care abordează senzația, nu doar mișcarea”, a spus Eric Rombukas, profesor asistent de inginerie mecanică la Universitatea din Washington, care nu a fost implicat în studiu.

Procedura AMI pentru amputația sub genunchi poartă numele Peter Ewing După Jim Ewing, prima persoană care a fost supusă procedurii, în 2016.

Pacienții care au suferit amputația lui Ewing au experimentat mai puțină atrofie musculară la nivelul membrului rezidual și mai puțină durere-fantomă – senzația de disconfort la nivelul membrului care nu mai există.

Cercetătorii au echipat toți participanții cu noi proteze constând dintr-o gleznă artificială, un dispozitiv care măsoară activitatea electrică din mișcarea mușchilor și electrozi plasați pe suprafața pielii.

Creierul trimite impulsuri electrice către mușchi, determinându-i să se contracte. Contracțiile produc propriile semnale electrice, care sunt detectate de electrozi și trimise la calculatoarele mici atașate protezei. Calculatoarele convertesc apoi aceste semnale electrice în forță și mișcare pentru proteză.

Proteza i-a oferit capacitatea de a îndrepta ambele picioare și de a executa din nou mișcări de dans, a spus Amy Pietravița, un participant la studiu care a suferit o amputație Ewing după ce a suferit arsuri grave.

„A fi capabil să aibă acest tip de curbură a făcut-o mai reală și am simțit că totul era acolo”, a spus Pietrafitta.

Datorită senzațiilor musculare îmbunătățite, participanții care au suferit o intervenție chirurgicală de amputare Ewing au putut să-și folosească membrele protetice pentru a merge mai repede și într-un mod mai natural decât cei care au suferit o intervenție chirurgicală tradițională de amputare.

Când o persoană trebuie să se abată de la tiparele normale de mers, de obicei trebuie să muncească mai mult pentru a se deplasa.

„Această cheltuială de energie… face ca inima noastră să lucreze mai mult și plămânii să lucreze mai mult… și poate duce la distrugerea progresivă a articulațiilor șoldului sau a coloanei vertebrale inferioare.

Pacienții care au suferit amputația lui Ewing și noua proteză au putut, de asemenea, să navigheze cu ușurință pe pante și pe scări. Au putut să-și ajusteze ușor picioarele pentru a se propulsa în sus pe scări și pentru a absorbi șocurile în timp ce coborau.

Cercetătorii speră că noul membru protetic va deveni disponibil comercial în următorii cinci ani.

„Începem să întrezărim acest viitor glorios în care o persoană își poate pierde o parte semnificativă a corpului și există tehnologie disponibilă pentru a-și reconstrui acel aspect al corpului pentru a funcționa pe deplin”, a spus Hare.