Robotyczna noga, którą można w pełni kontrolować za pomocą mózgu i rdzenia kręgowego, umożliwiła siedmiu osobom, które straciły podudzie, chodzić z taką samą szybkością jak ludzie bez amputacji.

Bioniczna noga wykorzystuje interfejs komputerowy, który wzmacnia sygnały nerwowe z mięśni pozostałej części nogi, umożliwiając użytkownikowi poruszanie protezą za pomocą własnych myśli i naturalnych odruchów.

W badaniu klinicznym z udziałem 14 osób uczestnicy korzystający z tego interfejsu byli w stanie chodzić o 41% szybciej niż osoby z tradycyjnymi nogami robotów. Mieli także lepszą równowagę i możliwość zmiany prędkości, wchodzenia po schodach i pokonywania przeszkód. Wyniki ogłoszono dzisiajMedycyna Naturyopublikowany 1.

„To pierwsze badanie pokazujące naturalne wzorce chodu z pełną modulacją neuronową, w przypadku których mózg danej osoby ma 100% kontrolę nad protezą bioniczną, a nie algorytm robota” – powiedział współautor badania Hugh Lordzie, biofizyk z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge, na konferencji prasowej ogłaszającej wyniki.

„Chociaż noga jest wykonana z tytanu, silikonu i różnych elementów elektromechanicznych, czuje się ją i porusza naturalnie, bez świadomego myślenia” – dodał.

Herrowi amputowano obie nogi po tym, jak utknął na lodzie na górze Washington w New Hampshire podczas zamieci śnieżnej w 1982 r. Mówi, że w przyszłości rozważy zastosowanie urządzeń zapewniających interfejs dla swoich kończyn.

Mięśnie spotykają maszynę

Większość istniejących bionicznych sztucznych kończyn opiera się na gotowych algorytmach kontroli ruchów i może automatycznie przełączać się między predefiniowanymi trybami dla różnych warunków chodzenia. Zaawansowane modele pomogły osobom po amputacji chodzić, biegać i wspinać się po schodach z większą płynnością, ale to robot zachowuje kontrolę nad ruchem nóg, a nie użytkownik, a urządzenie nie sprawia wrażenia części ciała.

Zdeterminowany, aby to zmienić, Herr i jego współpracownicy opracowali interfejs sterujący nogą robota za pomocą sygnałów z nerwów i mięśni pozostałych po amputacji.

W badaniu klinicznym wzięło udział 14 uczestników po amputacjach poniżej kolana. Przed założeniem robota siedmiu z nich przeszło operację połączenia par mięśni w pozostałych odcinkach nóg.

Ta technika chirurgiczna, która tworzy interfejs mięśniowo-nerwowy agonista-antagonista (AMI), ma na celu odtworzenie naturalnych ruchów mięśni w taki sposób, że skurcz jednego mięśnia powoduje rozciąganie drugiego. Pomaga to złagodzić ból, utrzymać masę mięśniową i poprawić komfort pracy z bioniczną nogą 2.

Sama bioniczna noga zawiera protezę kostki wyposażoną w czujniki i elektrody przymocowane do powierzchni skóry. Przechwytują one sygnały elektryczne generowane przez mięśnie w miejscu amputacji i wysyłają je do małego komputera w celu dekodowania. Noga waży 2,75 kilograma, co odpowiada średniej wadze naturalnej dolnej części nogi.

Szybkie ulepszenia

Aby przetestować system, uczestnicy ćwiczyli ze swoimi nowymi bionicznymi nogami łącznie przez sześć godzin każda. Następnie badacze porównali swoje wyniki w wykonywaniu różnych zadań z wynikami siedmiu innych uczestników, którzy przeszli konwencjonalną operację i protetykę.

AMI zwiększyło częstotliwość sygnałów mięśniowych do średnio 10,5 impulsów na sekundę w porównaniu z około 0,7 impulsów na sekundę w grupie kontrolnej. Chociaż stanowi to tylko 18% impulsów mięśniowych w biologicznie nienaruszonych mięśniach – około 60 impulsów na sekundę – uczestnicy z AMI byli w stanie w pełni kontrolować swoje protezy i chodzili o 41% szybciej niż uczestnicy z grupy kontrolnej. Ich maksymalne prędkości odpowiadają prędkościom osób bez amputacji, które poruszają się po poziomej ścieżce wzdłuż 10-metrowego korytarza.

„Właściwie to wydało mi się niezwykłe, że potrafili sobie tak dobrze poradzić przy tak niewielkiej wiedzy” – mówi Levi Hargrove, neurolog z Northwestern University w Chicago w stanie Illinois. „Zaobserwowaliby jeszcze większe korzyści po dłuższym okresie szkolenia w zakresie noszenia urządzenia”.

Naukowcy sprawdzili także, jak dobrze uczestnicy radzili sobie w różnych sytuacjach, w tym chodząc po podłodze o nachyleniu 5 stopni, wchodząc po schodach i pokonując przeszkody. We wszystkich scenariuszach użytkownicy AMI wykazali lepszą równowagę i większą wydajność niż osoby z grupy kontrolnej.

„Zapewnia użytkownikowi tak wysoki stopień elastyczności, który jest znacznie bliższy biologicznej nodze” – mówi Tommaso Lenzi, inżynier biomedyczny na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City.

Naturalne doświadczenie

Technologia ta daje nową nadzieję osobom po amputacjach, które chcą odzyskać naturalne chodzenie. „Ludzie po amputacji chcą zachować kontrolę nad kończynami. Chcą mieć poczucie, że kończyna jest częścią ich ciała” – mówi Lenzi. „Ten typ interfejsu neuronowego jest niezbędny, aby to osiągnąć”.

Ulepszenia konstrukcji nogawki mogą zmniejszyć wagę i zoptymalizować elektrody powierzchniowe, które są wrażliwe na wilgoć i pot i mogą nie nadawać się do codziennego użytku, mówi Lenzi. Konieczne będą przyszłe badania, aby sprawdzić, czy urządzenie poradzi sobie z bardziej wymagającymi czynnościami, takimi jak sprint i skakanie.

Herr twierdzi, że jego zespół już szuka sposobów na zastąpienie elektrod powierzchniowych małymi wszczepionymi kulkami magnetycznymi, które mogą dokładnie śledzić ruchy mięśni.

To badanie „zapewnia podstawy, których potrzebujemy, aby następnie przełożyć je na klinicznie wykonalne technologie i rozwiązania dla wszystkich osób po amputacji” – mówi Lenzi.