Роботизиран крак, който може да бъде напълно контролиран от мозъка и гръбначния мозък, позволи на седем души, които са загубили подбедрица, да ходят толкова бързо, колкото хора без ампутации.

Бионичният крак използва компютърен интерфейс, който усилва нервните сигнали от мускулите в останалата част на крака, позволявайки на потребителя да движи протезата, използвайки собствените си мисли и естествени рефлекси.

В клинично изпитване с 14 души участниците с този интерфейс успяха да ходят с 41% по-бързо от тези с традиционните роботизирани крака. Те също така имаха по-добър баланс и способност да променят скоростта, да изкачват стълби и да преодоляват препятствия. Резултатите бяха обявени днесПриродна медицинапубликувани 1.

„Това е първото проучване, което показва естествени модели на походка с пълна невронна модулация, където мозъкът на човека има 100% контрол върху бионичната протеза, а не роботизиран алгоритъм“, каза съавторът на изследването Хю Лорд, биофизик в Масачузетския технологичен институт в Кеймбридж, на пресконференция, обявяваща резултатите.

„Въпреки че кракът е направен от титан, силикон и различни електромеханични компоненти, кракът се усеща и се движи естествено, без съзнателна мисъл“, добави той.

Хер имаше ампутирани два крака, след като беше блокиран на леда на планината Вашингтон в Ню Хемпшир по време на виелица през 1982 г. Той казва, че ще обмисли интерфейсни устройства за крайниците си в бъдеще.

Мускулите срещат машината

Повечето съществуващи бионични изкуствени крайници разчитат на предварително зададени алгоритми за контрол на движенията и могат автоматично да превключват между предварително дефинирани режими за различни условия на ходене. Усъвършенстваните модели са помогнали на хората с ампутирани крака да ходят, да тичат и да изкачват стълби по-плавно, но роботът запазва контрола върху движението на крака, а не върху потребителя, и устройството не се усеща като част от тялото.

Решени да променят това, Хер и колегите му разработиха интерфейс, който контролира роботизирания крак, използвайки сигнали от нервите и мускулите, които остават след ампутация.

Тяхното клинично изпитване включва 14 участници с ампутации под коляното. Преди да носят роботизираното устройство, седем от тях претърпяха операция за свързване на двойки мускули в останалите части на краката им.

Тази хирургическа техника, която създава мионеврален интерфейс агонист-антагонист (AMI), има за цел да пресъздаде естествените мускулни движения, така че свиването на един мускул да разтяга друг. Това помага за облекчаване на болката, поддържа мускулна маса и подобрява комфорта с бионичния крак 2.

Самият бионичен крак включва протезен глезен, оборудван със сензори и електроди, прикрепени към повърхността на кожата. Те улавят електрически сигнали, генерирани от мускулите на мястото на ампутация, и ги изпращат до малък компютър за декодиране. Кракът тежи 2,75 килограма, подобно на средното тегло на естествения подбедрица.

Бързи подобрения

За да тестват системата, участниците тренираха с новите си бионични крака общо шест часа всеки. След това изследователите сравняват тяхното представяне при различни задачи с това на седемте други участници, които са получили конвенционална операция и протези.

AMI повишава честотата на мускулните сигнали до средно 10,5 импулса в секунда, в сравнение с около 0,7 импулса в секунда в контролната група. Въпреки че това представлява само 18% от мускулните импулси в биологично непокътнати мускули - около 60 импулса в секунда - участниците с ОМИ успяха напълно да контролират своите протези и ходеха с 41% по-бързо от тези в контролната група. Пиковите им скорости съответстват на тези на хора без ампутации при ходене по равна пътека по коридор с дължина 10 метра.

„Всъщност намерих за забележително, че могат да се справят толкова добре с толкова малко учене“, казва Леви Харгроув, невролог от Северозападния университет в Чикаго, Илинойс. „Те ще видят още по-голяма полза от по-дълъг период на обучение за носене на устройството.“

Изследователите също така тестваха колко добре участниците могат да се справят с различни ситуации, включително ходене по пода с 5-градусов наклон, изкачване на стълби и преодоляване на препятствия. Във всички сценарии потребителите на AMI демонстрираха по-добър баланс и по-бързо представяне от хората в контролната група.

„Това дава на потребителя такава висока степен на гъвкавост, която е много по-близо до биологичния крак“, казва Томазо Ленци, биомедицински инженер в Университета на Юта в Солт Лейк Сити.

Естествен опит

Технологията предлага нова надежда за хората с ампутации, които искат да си възвърнат естественото ходене. „Хората, които имат ампутация, искат да запазят контрола върху крайниците си. Те искат да се чувстват така, сякаш крайникът е част от тялото им“, казва Ленци. „Този ​​тип невронен интерфейс е необходим, за да се постигне това.“

Подобренията в дизайна на крака могат да намалят теглото и да оптимизират повърхностните електроди, които са чувствителни към влага и пот и може да не са подходящи за ежедневна употреба, казва Ленци. Ще са необходими бъдещи проучвания, за да се провери дали устройството може да се справи с по-взискателни дейности като спринт и скачане.

Хер казва, че екипът му вече търси начини да замени повърхностните електроди с малки имплантирани магнитни топчета, които могат точно да проследяват мускулните движения.

Това проучване „осигурява основата, от която се нуждаем, за да преведем това в клинично жизнеспособни технологии и решения за всеки с ампутация“, казва Ленци.