Robotinė koja, kurią gali visiškai valdyti smegenys ir nugaros smegenys, leido septyniems žmonėms, praradusiems blauzdą, vaikščioti taip pat greitai, kaip ir be amputacijų.

Bioninėje kojoje naudojama kompiuterinė sąsaja, kuri sustiprina nervinius signalus iš likusios kojos dalies raumenų, todėl nešiotojas gali judinti protezą savo mintimis ir natūraliais refleksais.

Klinikiniame tyrime, kuriame dalyvavo 14 žmonių, dalyviai, turintys šią sąsają, galėjo vaikščioti 41% greičiau nei tie, kurių tradicinės robotų kojos. Jie taip pat turėjo geresnę pusiausvyrą ir sugebėjimą keisti greitį, lipti laiptais ir įveikti kliūtis. Šiandien paskelbti rezultataiGamtos medicinapaskelbta 1.

„Tai pirmasis tyrimas, parodantis natūralius eisenos modelius su visa nervine moduliacija, kai žmogaus smegenys 100 % kontroliuoja bioninį protezą, o ne robotų algoritmą“, – sakė tyrimo bendraautorius. Hugh Lord, Masačusetso technologijos instituto Kembridže biofizikas spaudos konferencijoje, kurioje buvo paskelbti rezultatai.

„Nors koja pagaminta iš titano, silikono ir įvairių elektromechaninių komponentų, koja jaučiasi ir juda natūraliai, be sąmoningos minties“, – pridūrė jis.

Po to, kai 1982 m. per pūgą 1982 m. per pūgą jis buvo įstrigęs ant ledo ant Vašingtono kalno Naujajame Hampšyre, Herrui buvo amputuotos abi kojos. Jis sako, kad ateityje svarstys galimybę naudoti sąsajos įrenginius savo galūnėms.

Raumenys susitinka su mašina

Dauguma esamų bioninių dirbtinių galūnių remiasi iš anksto nustatytais judesių valdymo algoritmais ir gali automatiškai perjungti iš anksto nustatytus režimus skirtingoms vaikščiojimo sąlygoms. Pažangūs modeliai padėjo žmonėms, kuriems buvo amputuota, sklandžiau vaikščioti, bėgti ir lipti laiptais, tačiau robotas išlaiko kojų, o ne naudotojo judėjimo kontrolę, o prietaisas nesijaučia kaip kūno dalis.

Pasiryžę tai pakeisti, Herras ir jo kolegos sukūrė sąsają, kuri valdo roboto koją, naudodama signalus iš nervų ir raumenų, likusių po amputacijos.

Jų klinikiniame tyrime dalyvavo 14 dalyvių, kuriems buvo amputuota žemiau kelių. Prieš dėvėdami robotą, septyniems iš jų buvo atlikta operacija, skirta sujungti raumenų poras likusiose jų kojų dalyse.

Šia chirurgine technika, kuria sukuriama agonisto ir antagonisto mioneurinė sąsaja (AMI), siekiama atkurti natūralius raumenų judesius, kad vieno raumens susitraukimas ištemptų kitą. Tai padeda sumažinti skausmą, išlaikyti raumenų masę ir pagerinti komfortą naudojant bioninę koją 2.

Pačioje bioninėje kojoje yra protezuota kulkšnis su jutikliais ir elektrodais, pritvirtintais prie odos paviršiaus. Jie užfiksuoja elektrinius signalus, kuriuos generuoja raumenys amputacijos vietoje, ir siunčia juos į nedidelį kompiuterį dekoduoti. Kojos svoris yra 2,75 kilogramo, panašus į vidutinį natūralios blauzdos svorį.

Greiti patobulinimai

Norėdami išbandyti sistemą, dalyviai treniravosi su savo naujomis bioninėmis kojomis iš viso šešias valandas. Tada mokslininkai palygino savo įvairių užduočių atlikimą su kitų septynių dalyvių, kuriems buvo atlikta įprastinė operacija ir protezavimas, rezultatais.

AMI padidino raumenų signalų dažnį iki vidutiniškai 10,5 impulsų per sekundę, palyginti su maždaug 0,7 impulso per sekundę kontrolinėje grupėje. Nors tai sudaro tik 18 % raumenų impulsų biologiškai nepažeistuose raumenyse – apie 60 impulsų per sekundę – AMI sergantys dalyviai galėjo visiškai kontroliuoti savo protezus ir vaikščiojo 41 % greičiau nei kontrolinės grupės. Didžiausias jų greitis atitinka žmonių be amputacijų einant lygiu taku 10 metrų ilgio koridoriumi.

„Iš tikrųjų man buvo nuostabu, kad jiems taip gerai sekasi tiek mažai besimokydami“, – sako Levi Hargrove'as, Šiaurės vakarų universiteto Čikagoje, Ilinojaus valstijoje, neuromokslininkas. „Jie pamatytų dar daugiau naudos, jei dėvėdami prietaisą būtų treniruojamasi ilgiau.

Tyrėjai taip pat išbandė, kaip gerai dalyviai gali susidoroti su įvairiomis situacijomis, įskaitant vaikščiojimą grindimis su 5 laipsnių nuolydžiu, lipimą laiptais ir kliūčių įveikimą. Visais atvejais AMI vartotojai demonstravo geresnę pusiausvyrą ir greitesnį našumą nei kontrolinės grupės žmonės.

„Tai suteikia vartotojui tokį didelį lankstumą, kuris yra daug arčiau biologinės kojos“, – sako Tommaso Lenzi, biomedicinos inžinierius iš Jutos universiteto Solt Leik Sityje.

Natūrali patirtis

Ši technologija suteikia naujų vilčių žmonėms, turintiems amputacijų, norintiems atgauti natūralų vaikščiojimą. "Žmonės, kuriems atlikta amputacija, nori išlaikyti savo galūnių kontrolę. Jie nori jausti, kad galūnė yra jų kūno dalis", - sako Lenzi. "Tokio tipo neuroninė sąsaja yra būtina norint tai pasiekti."

Patobulinus kojos dizainą, galima sumažinti svorį ir optimizuoti paviršiaus elektrodus, kurie yra jautrūs drėgmei ir prakaitui ir gali būti netinkami kasdieniam naudojimui, sako Lenzi. Būsimi tyrimai bus reikalingi norint patikrinti, ar įrenginys gali susidoroti su sudėtingesnėmis veiklomis, tokiomis kaip sprintas ir šokinėjimas.

Herras sako, kad jo komanda jau ieško būdų, kaip pakeisti paviršiaus elektrodus mažais implantuotais magnetiniais rutuliais, kurie gali tiksliai sekti raumenų judesius.

Šis tyrimas „suteikia pagrindą, kurio mums reikia, kad vėliau tai būtų galima paversti kliniškai gyvybingomis technologijomis ir sprendimais visiems, kuriems atlikta amputacija“, - sako Lenzi.