Aju ja seljaaju abil täielikult juhitav robotjalg on võimaldanud seitsmel sääreosa kaotanud inimesel kõndida umbes sama kiiresti kui amputatsioonita inimesed.

Biooniline jalg kasutab arvutiliidest, mis võimendab jala ülejäänud osa lihastest tulevaid närvisignaale, võimaldades kandjal proteesi liigutada, kasutades oma mõtteid ja loomulikke reflekse.

14 inimesega läbi viidud kliinilises uuringus suutsid selle liidesega osalejad kõndida 41% kiiremini kui traditsiooniliste robotjalgadega. Samuti oli neil parem tasakaal ja oskus muuta kiirust, ronida trepist ja ületada takistusi. Tulemused avalikustati tänaLoodusmeditsiinavaldatud 1.

"See on esimene uuring, mis näitab täieliku närvimodulatsiooniga loomulikke kõnnimustreid, kus inimese aju omab 100% kontrolli bioonilise proteesi, mitte robot-algoritmi üle," ütles uuringu kaasautor. Hugh Lord, Cambridge'i Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi biofüüsik pressikonverentsil, kus tulemused teatavaks tehti.

"Kuigi jalg on valmistatud titaanist, silikoonist ja erinevatest elektromehaanilistest komponentidest, tunneb jalg ja liigub loomulikult, ilma teadliku mõtlemiseta," lisas ta.

Herril amputeeriti mõlemad jalad pärast seda, kui ta 1982. aasta lumetormi ajal New Hampshire'is Washingtoni mäel jääle jäi. Ta ütleb, et kaalub tulevikus oma jäsemete jaoks liidesseadmete kasutamist.

Lihas kohtub masinaga

Enamik olemasolevaid bioonseid tehisjäsemeid tuginevad liigutuste juhtimiseks eelseadistatud algoritmidele ja saavad erinevate kõndimistingimuste jaoks automaatselt eelnevalt määratletud režiimide vahel lülituda. Täiustatud mudelid on aidanud amputeeritud inimestel voolavamalt kõndida, joosta ja trepist üles ronida, kuid robot säilitab kontrolli jalgade liikumise, mitte kasutaja üle ning seade ei tunne end kehaosana.

Otsustades seda muuta, töötasid Herr ja tema kolleegid välja liidese, mis juhib robotjalga, kasutades signaale pärast amputatsiooni allesjäänud närvidest ja lihastest.

Nende kliiniline uuring hõlmas 14 osalejat, kellel oli amputatsioon põlvest allapoole. Enne robotseadme kandmist tehti seitsmele neist operatsioon, et ühendada ülejäänud jalgade lihaste paarid.

Selle kirurgilise tehnika, mis loob agonisti-antagonisti müoneuraalse liidese (AMI), eesmärk on taastada loomulikud lihasliigutused, nii et ühe lihase kokkutõmbumine venitab teist. See aitab leevendada valu, säilitada lihasmassi ja parandada mugavust bioonilise jalaga 2.

Biooniline jalg ise sisaldab pahkluu proteesi, mis on varustatud naha pinnale kinnitatud andurite ja elektroodidega. Need võtavad kinni amputatsioonikoha lihaste genereeritud elektrisignaalid ja saadavad need dekodeerimiseks väikesesse arvutisse. Jalg kaalub 2,75 kilogrammi, mis on sarnane loomuliku sääre keskmise kaaluga.

Kiired täiustused

Süsteemi testimiseks harjutasid osalejad oma uute biooniliste jalgadega kokku kuus tundi. Seejärel võrdlesid teadlased oma jõudlust erinevate ülesannete täitmisel seitsme teise osaleja omaga, kes olid saanud tavapärast operatsiooni ja proteesimist.

AMI suurendas lihaste signaalide kiirust keskmiselt 10,5 impulsini sekundis, võrreldes kontrollrühmas umbes 0,7 impulsiga sekundis. Kuigi see moodustab ainult 18% lihasimpulssidest bioloogiliselt tervetes lihastes - umbes 60 impulssi sekundis -, suutsid AMI-ga osalejad oma proteese täielikult kontrollida ja kõndisid 41% kiiremini kui kontrollrühmas. Nende tippkiirused vastavad nende inimeste omale, kellel pole amputatsioone, kui nad liiguvad tasasel teel piki 10 meetri pikkust koridori.

"Mulle oli tegelikult tähelepanuväärne, et nad said nii vähese õppimisega nii hästi hakkama," ütleb Illinoisi osariigi Chicago Northwesterni ülikooli neuroteadlane Levi Hargrove. "Nad näeksid seadme kandmise pikemast treeningperioodist veelgi rohkem kasu."

Teadlased testisid ka seda, kui hästi saavad osalejad hakkama erinevates olukordades, sealhulgas 5-kraadise kaldega põrandal kõndides, trepist üles ronimisel ja takistuste ületamisel. Kõigis stsenaariumides näitasid AMI kasutajad paremat tasakaalu ja kiiremat jõudlust kui kontrollrühma inimesed.

"See annab kasutajale nii suure paindlikkuse, mis on bioloogilisele jalale palju lähemal," ütleb Salt Lake Citys asuva Utahi ülikooli biomeditsiiniinsener Tommaso Lenzi.

Loomulik kogemus

Tehnoloogia pakub uut lootust amputatsiooniga inimestele, kes soovivad taastada loomulikku kõndimist. "Inimesed, kellel on amputatsioon, tahavad säilitada kontrolli oma jäsemete üle. Nad tahavad tunda, et jäse on osa nende kehast," ütleb Lenzi. "Seda tüüpi närviliides on selle saavutamiseks vajalik."

Lenzi sõnul võivad jala konstruktsiooni täiustused vähendada kaalu ja optimeerida pinnaelektroode, mis on niiskuse ja higi suhtes tundlikud ning ei pruugi sobida igapäevaseks kasutamiseks. Tulevased uuringud on vajalikud, et testida, kas seade saab hakkama ka nõudlikumate tegevustega, nagu sprint ja hüppamine.

Herr ütleb, et tema meeskond otsib juba võimalusi, kuidas asendada pinnaelektroodid väikeste implanteeritud magnetkuulikestega, mis suudavad täpselt jälgida lihaste liikumist.

See uuring "loob aluse, mida vajame, et muuta see kliiniliselt elujõulisteks tehnoloogiateks ja lahendusteks kõigile, kellel on amputatsioon," ütleb Lenzi.