Dankzij een robotbeen dat volledig kan worden bestuurd door de hersenen en het ruggenmerg, kunnen zeven mensen die een onderbeen hebben verloren, net zo snel rondlopen als mensen zonder amputaties.

Het bionische been maakt gebruik van een computerinterface die zenuwsignalen van de spieren in het resterende deel van het been versterkt, waardoor de drager de prothese kan bewegen met behulp van zijn eigen gedachten en natuurlijke reflexen.

In een klinische proef met 14 personen konden deelnemers met deze interface 41% sneller lopen dan deelnemers met traditionele robotbenen. Ze hadden ook een beter evenwicht en het vermogen om de snelheid te veranderen, trappen te beklimmen en obstakels te overwinnen. De resultaten werden vandaag bekendgemaaktNatuurgeneeskundegepubliceerd 1.

“Dit is de eerste studie die natuurlijke looppatronen met volledige neurale modulatie laat zien, waarbij de hersenen van de persoon 100% controle hebben over de bionische prothese, en niet over een robotalgoritme”, aldus co-auteur van het onderzoek. Hugh Heer, een biofysicus aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, op een persconferentie waarin hij de resultaten aankondigde.

“Hoewel het been is gemaakt van titanium, siliconen en verschillende elektromechanische componenten, voelt en beweegt het been natuurlijk, zonder dat er bewust bij wordt nagedacht,” voegde hij eraan toe.

Bij Herr werden beide benen geamputeerd nadat hij tijdens een sneeuwstorm in 1982 op het ijs op Mount Washington in New Hampshire was gestrand. Hij zegt dat hij in de toekomst interface-apparaten voor zijn ledematen zou overwegen.

Spier ontmoet machine

De meeste bestaande bionische kunstmatige ledematen vertrouwen op vooraf ingestelde algoritmen om bewegingen te controleren en kunnen automatisch schakelen tussen vooraf gedefinieerde modi voor verschillende loopomstandigheden. Geavanceerde modellen hebben mensen met geamputeerden geholpen vloeiender te lopen, rennen en traplopen, maar de robot behoudt de controle over de beenbeweging, niet de gebruiker, en het apparaat voelt niet aan als een deel van het lichaam.

Vastbesloten om dit te veranderen, ontwikkelden Herr en zijn collega's een interface die het robotbeen bestuurt met behulp van signalen van de zenuwen en spieren die overblijven na amputatie.

Hun klinische proef omvatte 14 deelnemers met amputaties onder de knie. Voordat ze het robotapparaat droegen, ondergingen zeven van hen een operatie om spierparen in de resterende delen van hun benen te verbinden.

Deze chirurgische techniek, die een agonist-antagonist myoneural interface (AMI) creëert, heeft tot doel natuurlijke spierbewegingen na te bootsen, zodat de samentrekking van de ene spier de andere spier uitrekt. Dit helpt de pijn te verlichten, de spiermassa te behouden en het comfort met het bionische been te verbeteren 2.

Het bionische been zelf omvat een prothetische enkel uitgerust met sensoren en elektroden die aan het huidoppervlak zijn bevestigd. Deze vangen elektrische signalen op die worden gegenereerd door de spieren op de amputatieplaats en sturen deze naar een kleine computer om te worden gecodeerd. Het been weegt 2,75 kilogram, vergelijkbaar met het gemiddelde gewicht van een natuurlijk onderbeen.

Snelle verbeteringen

Om het systeem te testen, oefenden de deelnemers in totaal zes uur met hun nieuwe bionische benen. De onderzoekers vergeleken vervolgens hun prestaties op verschillende taken met die van de zeven andere deelnemers die conventionele chirurgie en protheses hadden ondergaan.

De AMI verhoogde de snelheid van spiersignalen tot gemiddeld 10,5 pulsen per seconde, vergeleken met ongeveer 0,7 pulsen per seconde in de controlegroep. Hoewel dit slechts 18% van de spierimpulsen in biologisch intacte spieren vertegenwoordigt – ongeveer 60 impulsen per seconde – konden de deelnemers met AMI hun prothesen volledig beheersen en liepen ze 41% sneller dan die in de controlegroep. Hun pieksnelheden komen overeen met die van mensen zonder amputaties wanneer ze op een vlak pad langs een tien meter lange gang lopen.

"Ik vond het eigenlijk opmerkelijk dat ze het zo goed konden doen met zo weinig kennis", zegt Levi Hargrove, een neurowetenschapper aan de Northwestern University in Chicago, Illinois. “Ze zouden zelfs nog meer voordeel zien als ze het apparaat langer moesten trainen.”

Onderzoekers testten ook hoe goed deelnemers met verschillende situaties om konden gaan, waaronder lopen op een vloer met een helling van 5 graden, traplopen en het overwinnen van obstakels. In alle scenario's vertoonden AMI-gebruikers een beter evenwicht en snellere prestaties dan mensen in de controlegroep.

“Het geeft de gebruiker zo’n hoge mate van flexibiliteit die veel dichter bij het biologische been ligt”, zegt Tommaso Lenzi, een biomedisch ingenieur aan de Universiteit van Utah in Salt Lake City.

Natuurlijke ervaring

De technologie biedt nieuwe hoop voor mensen met amputaties die weer natuurlijk kunnen lopen. "Mensen die een amputatie hebben, willen de controle over hun ledematen behouden. Ze willen het gevoel hebben dat het ledemaat deel uitmaakt van hun lichaam", zegt Lenzi. “Dit type neurale interface is nodig om dit te bereiken.”

Verbeteringen aan het ontwerp van de benen kunnen het gewicht verminderen en de oppervlakte-elektroden optimaliseren, die gevoelig zijn voor vocht en zweet en mogelijk niet geschikt zijn voor dagelijks gebruik, zegt Lenzi. Toekomstige studies zullen nodig zijn om te testen of het apparaat zwaardere activiteiten zoals sprinten en springen aankan.

De heer zegt dat zijn team al manieren zoekt om de oppervlakte-elektroden te vervangen door kleine geïmplanteerde magnetische balletjes die spierbewegingen nauwkeurig kunnen volgen.

Deze studie “biedt de basis die we nodig hebben om dit vervolgens te vertalen naar klinisch haalbare technologieën en oplossingen voor iedereen met een amputatie”, zegt Lenzi.