Robotska noga koju mogu u potpunosti kontrolirati mozak i leđna moždina omogućila je sedmero ljudi koji su izgubili potkoljenicu da hodaju jednako brzo kao ljudi bez amputacija.

Bionička noga koristi računalno sučelje koje pojačava živčane signale iz mišića u preostalom dijelu noge, dopuštajući nositelju da pomiče protezu koristeći vlastite misli i prirodne reflekse.

U kliničkom ispitivanju s 14 osoba, sudionici s ovim sučeljem mogli su hodati 41% brže od onih s tradicionalnim robotskim nogama. Također su imali bolju ravnotežu i sposobnost mijenjanja brzine, penjanja uz stepenice i svladavanja prepreka. Rezultati su objavljeni danasPrirodna medicinaobjavljeno 1.

"Ovo je prva studija koja pokazuje prirodne obrasce hoda s potpunom neuralnom modulacijom, gdje mozak osobe ima 100% kontrolu nad bioničkom protezom, a ne robotskim algoritmom", rekao je koautor studije. Hugh Lord, biofizičar s Massachusetts Institute of Technology u Cambridgeu, na konferenciji za novinare na kojoj su objavljeni rezultati.

“Iako je noga napravljena od titana, silikona i raznih elektromehaničkih komponenti, noga se osjeća i pomiče prirodno, bez svjesnog razmišljanja”, dodao je.

Herru su amputirane obje noge nakon što se nasukao na ledu na planini Washington u New Hampshireu tijekom mećave 1982. Kaže da bi u budućnosti razmislio o uređajima za sučelje za svoje udove.

Mišići susreću stroj

Većina postojećih bioničkih umjetnih udova oslanja se na unaprijed postavljene algoritme za kontrolu pokreta i može se automatski prebacivati ​​između unaprijed definiranih načina rada za različite uvjete hodanja. Napredni modeli pomogli su osobama s amputacijama da lakše hodaju, trče i penju se stepenicama, ali robot zadržava kontrolu nad pokretima nogu, a ne korisnik, a uređaj se ne osjeća kao dio tijela.

Odlučni to promijeniti, Herr i njegovi kolege razvili su sučelje koje upravlja robotskom nogom pomoću signala iz živaca i mišića koji ostaju nakon amputacije.

Njihovo kliničko ispitivanje uključivalo je 14 sudionika s amputacijama ispod koljena. Prije nošenja robotskog uređaja, njih sedmero podvrgnuto je operaciji povezivanja parova mišića u preostalim dijelovima nogu.

Ova kirurška tehnika, koja stvara mioneuralno sučelje agonist-antagonist (AMI), ima za cilj ponovno stvoriti prirodne pokrete mišića tako da kontrakcija jednog mišića rasteže drugi. To pomaže ublažiti bol, održati mišićnu masu i poboljšati udobnost s bioničkom nogom 2.

Sama bionička noga uključuje protetski gležanj opremljen senzorima i elektrodama pričvršćenima na površinu kože. Oni hvataju električne signale koje stvaraju mišići na mjestu amputacije i šalju ih malom računalu na dekodiranje. Noga je teška 2,75 kilograma, što je slično prosječnoj težini prirodne potkoljenice.

Brza poboljšanja

Kako bi testirali sustav, sudionici su vježbali sa svojim novim bioničkim nogama ukupno šest sati svaki. Istraživači su zatim usporedili njihovu izvedbu na raznim zadacima s onom sedam drugih sudionika koji su primili konvencionalnu operaciju i protetiku.

AMI je povećao brzinu mišićnih signala na prosječnih 10,5 impulsa u sekundi, u usporedbi s oko 0,7 impulsa u sekundi u kontrolnoj skupini. Iako to predstavlja samo 18% mišićnih impulsa u biološki intaktnim mišićima - oko 60 impulsa u sekundi - sudionici s AMI mogli su u potpunosti kontrolirati svoje proteze i hodali su 41% brže od onih u kontrolnoj skupini. Njihove najveće brzine odgovaraju onima ljudi bez amputacija kada hodaju ravnom stazom duž hodnika dugog 10 metara.

"Zapravo sam smatrao nevjerojatnim da su tako uspješni s tako malo učenja", kaže Levi Hargrove, neuroznanstvenik sa Sveučilišta Northwestern u Chicagu, Illinois. "Oni bi vidjeli još više koristi s duljim razdobljem obuke nošenja uređaja."

Istraživači su također testirali koliko se dobro sudionici mogu nositi s različitim situacijama, uključujući hodanje po podu s nagibom od 5 stupnjeva, penjanje uz stepenice i svladavanje prepreka. U svim scenarijima, korisnici AMI-ja pokazali su bolju ravnotežu i brže performanse od ljudi u kontrolnoj skupini.

"Korisniku daje tako visok stupanj fleksibilnosti koji je mnogo bliži biološkoj nozi", kaže Tommaso Lenzi, biomedicinski inženjer na Sveučilištu Utah u Salt Lake Cityju.

Prirodno iskustvo

Tehnologija nudi novu nadu za ljude s amputacijama koji žele vratiti prirodno hodanje. "Ljudi koji imaju amputaciju žele zadržati kontrolu nad svojim udovima. Žele se osjećati kao da je ud dio njihovog tijela", kaže Lenzi. "Ova vrsta neuralnog sučelja je neophodna da bi se to postiglo."

Poboljšanja dizajna nogu mogla bi smanjiti težinu i optimizirati površinske elektrode, koje su osjetljive na vlagu i znoj i možda nisu prikladne za svakodnevnu upotrebu, kaže Lenzi. Buduće studije bit će potrebne kako bi se testiralo može li uređaj podnijeti zahtjevnije aktivnosti poput sprinta i skakanja.

Herr kaže da njegov tim već traži načine za zamjenu površinskih elektroda malim implantiranim magnetskim kuglicama koje mogu točno pratiti pokrete mišića.

Ova studija "pruža temelj koji nam je potreban da to zatim prevedemo u klinički održive tehnologije i rješenja za svakoga s amputacijom", kaže Lenzi.