Et robotben, der kan kontrolleres fuldt ud af hjernen og rygmarven, har gjort det muligt for syv personer, der mistede et underben, at gå omtrent lige så hurtigt som mennesker uden amputationer.

Det bioniske ben bruger en computergrænseflade, der forstærker nervesignaler fra musklerne i den resterende del af benet, hvilket gør det muligt for brugeren at bevæge protesen ved hjælp af deres egne tanker og naturlige reflekser.

I et 14-personers klinisk forsøg var deltagere med denne grænseflade i stand til at gå 41 % hurtigere end dem med traditionelle robotben. De havde også bedre balance og evnen til at ændre hastighed, gå op ad trapper og overvinde forhindringer. Resultaterne blev offentliggjort i dagNaturmedicinoffentliggjort 1.

"Dette er det første studie, der viser naturlige gangmønstre med fuld neural modulering, hvor personens hjerne har 100% kontrol over den bioniske protese, ikke en robotalgoritme," sagde studiets medforfatter. Hugh Lord, en biofysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, på en pressekonference, der annoncerer resultaterne.

"Selvom benet er lavet af titanium, silikone og forskellige elektromekaniske komponenter, føles og bevæger benet sig naturligt uden bevidst eftertanke," tilføjede han.

Herr fik amputeret begge ben, efter han var strandet på is på Mount Washington i New Hampshire under en snestorm i 1982. Han siger, at han ville overveje interface-enheder til sine lemmer i fremtiden.

Muskel møder maskine

De fleste eksisterende bioniske kunstige lemmer er afhængige af forudindstillede algoritmer til at kontrollere bevægelser og kan automatisk skifte mellem foruddefinerede tilstande til forskellige gangforhold. Avancerede modeller har hjulpet mennesker med amputerede til at gå, løbe og gå op ad trapper mere flydende, men robotten bevarer kontrollen over benbevægelsen, ikke brugeren, og enheden føles ikke som en del af kroppen.

Fast besluttet på at ændre dette, udviklede Herr og hans kolleger en grænseflade, der styrer robotbenet ved hjælp af signaler fra de nerver og muskler, der er tilbage efter amputation.

Deres kliniske forsøg omfattede 14 deltagere med amputationer under knæet. Før de bar robot-enheden, gennemgik syv af dem en operation for at forbinde par af muskler i de resterende dele af deres ben.

Denne kirurgiske teknik, som skaber en agonist-antagonist myoneural interface (AMI), har til formål at genskabe naturlige muskelbevægelser, så sammentrækningen af ​​en muskel strækker en anden. Dette hjælper med at lindre smerter, vedligeholde muskelmasse og forbedre komforten med det bioniske ben 2.

Selve det bioniske ben inkluderer en ankelprotese udstyret med sensorer og elektroder fastgjort til overfladen af ​​huden. Disse fanger elektriske signaler genereret af musklerne på amputationsstedet og sender dem til en lille computer til afkodning. Benet vejer 2,75 kg, svarende til gennemsnitsvægten af ​​et naturligt underben.

Hurtige forbedringer

For at teste systemet øvede deltagerne sig med deres nye bioniske ben i i alt seks timer hver. Forskerne sammenlignede derefter deres præstationer på forskellige opgaver med de syv andre deltagere, der havde modtaget konventionel kirurgi og proteser.

AMI øgede hastigheden af ​​muskelsignaler til et gennemsnit på 10,5 pulser pr. sekund, sammenlignet med omkring 0,7 pulser pr. sekund i kontrolgruppen. Selvom dette kun repræsenterer 18 % af muskelimpulserne i biologisk intakte muskler – omkring 60 impulser i sekundet – var deltagerne med AMI i stand til fuldt ud at kontrollere deres proteser og gik 41 % hurtigere end dem i kontrolgruppen. Deres maksimale hastigheder svarer til dem for mennesker uden amputationer, når de går på en jævn sti langs en 10 meter lang korridor.

"Jeg fandt det faktisk bemærkelsesværdigt, at de kunne klare sig så godt med så lidt læring," siger Levi Hargrove, en neuroforsker ved Northwestern University i Chicago, Illinois. "De ville se endnu mere fordel med en længere træningsperiode med at bære enheden."

Forskere testede også, hvor godt deltagerne kunne håndtere forskellige situationer, herunder at gå på et gulv med en 5-graders hældning, gå op ad trapper og overvinde forhindringer. I alle scenarier viste AMI-brugere bedre balance og hurtigere ydeevne end personer i kontrolgruppen.

"Det giver brugeren en så høj grad af fleksibilitet, som er meget tættere på det biologiske ben," siger Tommaso Lenzi, en biomedicinsk ingeniør ved University of Utah i Salt Lake City.

Naturoplevelse

Teknologien giver nyt håb for mennesker med amputationer, der ønsker at genvinde naturlig gang. "Folk, der har en amputation, ønsker at bevare kontrollen over deres lemmer. De vil gerne føle, at lemmen er en del af deres krop," siger Lenzi. "Denne type neural grænseflade er nødvendig for at opnå dette."

Forbedringer af benets design kan reducere vægten og optimere overfladeelektroder, som er følsomme over for fugt og sved og måske ikke er egnede til hverdagsbrug, siger Lenzi. Fremtidige undersøgelser vil være nødvendige for at teste, om enheden kan klare mere krævende aktiviteter som sprint og spring.

Herr siger, at hans team allerede ser på måder at erstatte overfladeelektroderne med små implanterede magnetiske kugler, der nøjagtigt kan spore muskelbevægelser.

Denne undersøgelse "giver det grundlag, vi har brug for, for derefter at omsætte dette til klinisk levedygtige teknologier og løsninger til alle med en amputation," siger Lenzi.