Ένα ρομποτικό πόδι που μπορεί να ελεγχθεί πλήρως από τον εγκέφαλο και το νωτιαίο μυελό επέτρεψε σε επτά άτομα που έχασαν το κάτω πόδι να περπατήσουν τόσο γρήγορα όσο και άτομα χωρίς ακρωτηριασμούς.

Το βιονικό πόδι χρησιμοποιεί μια διεπαφή υπολογιστή που ενισχύει τα νευρικά σήματα από τους μύες στο υπόλοιπο τμήμα του ποδιού, επιτρέποντας στον χρήστη να μετακινήσει την πρόθεση χρησιμοποιώντας τις δικές του σκέψεις και φυσικά αντανακλαστικά.

Σε μια κλινική δοκιμή 14 ατόμων, οι συμμετέχοντες με αυτή τη διεπαφή μπόρεσαν να περπατήσουν 41% πιο γρήγορα από εκείνους με παραδοσιακά ρομποτικά πόδια. Είχαν επίσης καλύτερη ισορροπία και την ικανότητα να αλλάζουν ταχύτητα, να ανεβαίνουν σκάλες και να ξεπερνούν τα εμπόδια. Τα αποτελέσματα ανακοινώθηκαν σήμεραΙατρική της Φύσηςδημοσιευμένο 1.

«Αυτή είναι η πρώτη μελέτη που δείχνει φυσικά μοτίβα βάδισης με πλήρη νευρική διαμόρφωση, όπου ο εγκέφαλος του ατόμου έχει 100% έλεγχο της βιονικής πρόσθεσης, όχι έναν ρομποτικό αλγόριθμο», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης. Χιου Λόρδος, βιοφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ, σε συνέντευξη Τύπου που ανακοίνωσε τα αποτελέσματα.

«Αν και το πόδι είναι κατασκευασμένο από τιτάνιο, σιλικόνη και διάφορα ηλεκτρομηχανικά εξαρτήματα, το πόδι αισθάνεται και κινείται φυσικά, χωρίς συνειδητή σκέψη», πρόσθεσε.

Ο Χερ είχε ακρωτηριαστεί και τα δύο πόδια του, αφού παγιδεύτηκε στον πάγο στο όρος Ουάσιγκτον στο Νιου Χάμσαϊρ κατά τη διάρκεια μιας χιονοθύελλας το 1982. Λέει ότι θα σκεφτόταν στο μέλλον συσκευές διασύνδεσης για τα άκρα του.

Ο μυς συναντά το μηχάνημα

Τα περισσότερα υπάρχοντα βιονικά τεχνητά μέλη βασίζονται σε προκαθορισμένους αλγόριθμους για τον έλεγχο των κινήσεων και μπορούν να αλλάζουν αυτόματα μεταξύ προκαθορισμένων τρόπων λειτουργίας για διαφορετικές συνθήκες βαδίσματος. Τα προηγμένα μοντέλα έχουν βοηθήσει τα άτομα με ακρωτηριασμένα άτομα να περπατούν, να τρέχουν και να ανεβαίνουν τις σκάλες πιο ρευστά, αλλά το ρομπότ διατηρεί τον έλεγχο της κίνησης των ποδιών, όχι του χρήστη, και η συσκευή δεν αισθάνεται σαν μέρος του σώματος.

Αποφασισμένοι να το αλλάξουν αυτό, ο Χερ και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια διεπαφή που ελέγχει το ρομποτικό πόδι χρησιμοποιώντας σήματα από τα νεύρα και τους μύες που παραμένουν μετά τον ακρωτηριασμό.

Η κλινική τους δοκιμή περιελάμβανε 14 συμμετέχοντες με ακρωτηριασμούς κάτω από το γόνατο. Πριν φορέσουν τη ρομποτική συσκευή, επτά από αυτούς υποβλήθηκαν σε χειρουργική επέμβαση για να συνδέσουν ζεύγη μυών στα υπόλοιπα τμήματα των ποδιών τους.

Αυτή η χειρουργική τεχνική, η οποία δημιουργεί μια μυονευρική διεπαφή αγωνιστή-ανταγωνιστή (AMI), στοχεύει στην αναδημιουργία φυσικών μυϊκών κινήσεων έτσι ώστε η σύσπαση ενός μυός να τεντώνει έναν άλλο. Αυτό βοηθά στην ανακούφιση του πόνου, στη διατήρηση της μυϊκής μάζας και στη βελτίωση της άνεσης με το βιονικό πόδι 2.

Το ίδιο το βιονικό πόδι περιλαμβάνει έναν προσθετικό αστράγαλο εξοπλισμένο με αισθητήρες και ηλεκτρόδια προσαρτημένα στην επιφάνεια του δέρματος. Αυτά καταγράφουν ηλεκτρικά σήματα που παράγονται από τους μύες στο σημείο του ακρωτηριασμού και τα στέλνουν σε έναν μικρό υπολογιστή για αποκωδικοποίηση. Το πόδι ζυγίζει 2,75 κιλά, παρόμοιο με το μέσο βάρος ενός φυσικού κάτω ποδιού.

Γρήγορες βελτιώσεις

Για να δοκιμάσουν το σύστημα, οι συμμετέχοντες εξασκήθηκαν με τα νέα βιονικά τους πόδια για συνολικά έξι ώρες ο καθένας. Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν την απόδοσή τους σε διάφορες εργασίες με εκείνη των επτά άλλων συμμετεχόντων που είχαν υποβληθεί σε συμβατική χειρουργική επέμβαση και προσθετική.

Το AMI αύξησε τον ρυθμό των μυϊκών σημάτων κατά μέσο όρο 10,5 παλμούς ανά δευτερόλεπτο, σε σύγκριση με περίπου 0,7 παλμούς ανά δευτερόλεπτο στην ομάδα ελέγχου. Αν και αυτό αντιπροσωπεύει μόνο το 18% των μυϊκών παρορμήσεων σε βιολογικά ανέπαφους μύες - περίπου 60 ώσεις ανά δευτερόλεπτο - οι συμμετέχοντες με AMI κατάφεραν να ελέγξουν πλήρως τις προσθέσεις τους και περπάτησαν 41% γρηγορότερα από εκείνους της ομάδας ελέγχου. Οι μέγιστες ταχύτητες τους αντιστοιχούν σε εκείνες των ατόμων χωρίς ακρωτηριασμούς όταν περπατούν σε επίπεδο μονοπάτι κατά μήκος ενός διαδρόμου μήκους 10 μέτρων.

«Βρήκα πραγματικά αξιοσημείωτο ότι μπορούσαν να τα πάνε τόσο καλά με τόσο λίγη μάθηση», λέει ο Levi Hargrove, νευροεπιστήμονας στο Northwestern University στο Σικάγο του Ιλινόις. «Θα έβλεπαν ακόμη περισσότερα οφέλη με μεγαλύτερη περίοδο εκπαίδευσης φορώντας τη συσκευή».

Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης πόσο καλά οι συμμετέχοντες μπορούσαν να χειριστούν διάφορες καταστάσεις, όπως το περπάτημα σε πάτωμα με κλίση 5 μοιρών, το ανέβασμα σκαλοπατιών και το ξεπέρασμα των εμποδίων. Σε όλα τα σενάρια, οι χρήστες AMI επέδειξαν καλύτερη ισορροπία και ταχύτερη απόδοση από τα άτομα της ομάδας ελέγχου.

«Δίνει στον χρήστη τόσο υψηλό βαθμό ευελιξίας που είναι πολύ πιο κοντά στο βιολογικό πόδι», λέει ο Tommaso Lenzi, βιοϊατρικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα στο Salt Lake City.

Φυσική εμπειρία

Η τεχνολογία προσφέρει νέα ελπίδα σε άτομα με ακρωτηριασμούς που θέλουν να ανακτήσουν το φυσικό περπάτημα. "Οι άνθρωποι που έχουν ακρωτηριασμό θέλουν να διατηρήσουν τον έλεγχο των άκρων τους. Θέλουν να αισθάνονται ότι το άκρο είναι μέρος του σώματός τους", λέει ο Lenzi. "Αυτός ο τύπος νευρωνικής διεπαφής είναι απαραίτητος για να επιτευχθεί αυτό."

Οι βελτιώσεις στον σχεδιασμό του ποδιού θα μπορούσαν να μειώσουν το βάρος και να βελτιστοποιήσουν τα επιφανειακά ηλεκτρόδια, τα οποία είναι ευαίσθητα στην υγρασία και τον ιδρώτα και μπορεί να μην είναι κατάλληλα για καθημερινή χρήση, λέει ο Lenzi. Θα χρειαστούν μελλοντικές μελέτες για να ελεγχθεί εάν η συσκευή μπορεί να χειριστεί πιο απαιτητικές δραστηριότητες όπως το σπριντ και το άλμα.

Ο Χερ λέει ότι η ομάδα του ήδη ψάχνει τρόπους για να αντικαταστήσει τα επιφανειακά ηλεκτρόδια με μικρές εμφυτευμένες μαγνητικές μπάλες που μπορούν να παρακολουθούν με ακρίβεια τις μυϊκές κινήσεις.

Αυτή η μελέτη «παρέχει τα θεμέλια που χρειαζόμαστε για να το μεταφράσουμε στη συνέχεια σε κλινικά βιώσιμες τεχνολογίες και λύσεις για όλους με ακρωτηριασμό», λέει ο Lenzi.