Robotická noha, kterou lze plně ovládat mozkem a míchou, umožnila sedmi lidem, kteří přišli o dolní nohu, chodit zhruba stejně rychle jako lidé bez amputace.

Bionická noha využívá počítačové rozhraní, které zesiluje nervové signály ze svalů ve zbývající části nohy a umožňuje nositeli pohybovat protézou pomocí vlastních myšlenek a přirozených reflexů.

V klinické studii pro 14 osob byli účastníci s tímto rozhraním schopni chodit o 41 % rychleji než ti s tradičními robotickými nohami. Měli také lepší rovnováhu a schopnost měnit rychlost, stoupat do schodů a překonávat překážky. Výsledky byly vyhlášeny dnesPřírodní medicínazveřejněno 1.

„Toto je první studie, která ukazuje přirozené vzorce chůze s plnou neurální modulací, kde má mozek člověka 100% kontrolu nad bionickou protézou, nikoli robotický algoritmus,“ řekl spoluautor studie. Hugh Lord, biofyzik z Massachusetts Institute of Technology v Cambridge, na tiskové konferenci oznamující výsledky.

"Přestože je noha vyrobena z titanu, silikonu a různých elektromechanických komponentů, noha cítí a pohybuje se přirozeně, bez vědomého myšlení," dodal.

Herrovi byly amputovány obě nohy poté, co uvízl na ledu na Mount Washington v New Hampshire během vánice v roce 1982. Říká, že v budoucnu zváží zařízení pro rozhraní pro své končetiny.

Sval se setkává se strojem

Většina existujících bionických umělých končetin spoléhá na přednastavené algoritmy pro řízení pohybů a může automaticky přepínat mezi předdefinovanými režimy pro různé podmínky chůze. Pokročilé modely pomohly lidem s amputací chodit, běhat a lézt po schodech plynuleji, ale robot si zachovává kontrolu nad pohybem nohou, nikoli uživatel, a zařízení se necítí jako součást těla.

Herr a jeho kolegové se rozhodli to změnit a vyvinuli rozhraní, které ovládá robotickou nohu pomocí signálů z nervů a svalů, které zůstávají po amputaci.

Jejich klinická studie zahrnovala 14 účastníků s amputacemi pod kolenem. Před nošením robotického zařízení sedm z nich podstoupilo operaci k propojení párů svalů ve zbývajících částech nohou.

Tato chirurgická technika, která vytváří agonisticko-antagonistické myoneurální rozhraní (AMI), má za cíl obnovit přirozené pohyby svalů tak, aby kontrakce jednoho svalu protahovala jiný. To pomáhá zmírnit bolest, udržet svalovou hmotu a zlepšit pohodlí s bionickou nohou 2.

Samotná bionická noha obsahuje protetický kotník vybavený senzory a elektrodami připevněnými k povrchu kůže. Ty zachycují elektrické signály generované svaly v místě amputace a posílají je do malého počítače k ​​dekódování. Noha váží 2,75 kilogramu, podobně jako průměrná váha přirozené bérce.

Rychlá vylepšení

Pro testování systému účastníci cvičili se svými novými bionickými nohami celkem šest hodin každý. Vědci poté porovnali svůj výkon v různých úkolech s výkonem sedmi dalších účastníků, kteří podstoupili konvenční operaci a protetiku.

AMI zvýšila frekvenci svalových signálů v průměru na 10,5 pulzů za sekundu, ve srovnání s přibližně 0,7 pulzy za sekundu v kontrolní skupině. Ačkoli to představuje pouze 18 % svalových impulzů v biologicky intaktních svalech – asi 60 impulzů za sekundu – účastníci s AMI byli schopni plně ovládat své protézy a chodili o 41 % rychleji než ti v kontrolní skupině. Jejich špičkové rychlosti odpovídají lidem bez amputací při chůzi po rovné cestě podél 10 metrů dlouhé chodby.

"Vlastně jsem zjistil, že je pozoruhodné, že se jim to tak dobře daří s tak malým množstvím učení," říká Levi Hargrove, neurolog z Northwestern University v Chicagu, Illinois. "Ještě větší přínos by viděli v delším tréninkovém období nošení zařízení."

Výzkumníci také testovali, jak dobře účastníci zvládají různé situace, včetně chůze po podlaze s 5stupňovým sklonem, lezení po schodech a překonávání překážek. Ve všech scénářích uživatelé AMI prokázali lepší rovnováhu a rychlejší výkon než lidé v kontrolní skupině.

„Dává uživateli tak vysokou míru flexibility, která je mnohem blíže biologické noze,“ říká Tommaso Lenzi, biomedicínský inženýr na University of Utah v Salt Lake City.

Přirozená zkušenost

Tato technologie nabízí novou naději pro lidi s amputací, kteří chtějí znovu získat přirozenou chůzi. "Lidé, kteří mají amputaci, si chtějí udržet kontrolu nad svými končetinami. Chtějí mít pocit, že končetina je součástí jejich těla," říká Lenzi. "Tento typ neurálního rozhraní je nezbytný k dosažení tohoto cíle."

Vylepšení konstrukce nohou by mohla snížit hmotnost a optimalizovat povrchové elektrody, které jsou citlivé na vlhkost a pot a nemusí být vhodné pro každodenní použití, říká Lenzi. Budoucí studie budou potřeba k otestování, zda zařízení zvládne náročnější aktivity, jako je sprint a skákání.

Herr říká, že jeho tým již hledá způsoby, jak nahradit povrchové elektrody malými implantovanými magnetickými kuličkami, které mohou přesně sledovat pohyby svalů.

Tato studie „poskytuje základ, který potřebujeme k tomu, abychom to převedli do klinicky životaschopných technologií a řešení pro každého s amputací,“ říká Lenzi.