Robotska noga, ki jo lahko popolnoma nadzorujejo možgani in hrbtenjača, je sedmim ljudem, ki so izgubili spodnji del noge, omogočila, da hodijo približno tako hitro kot ljudje brez amputacij.

Bionična noga uporablja računalniški vmesnik, ki ojača živčne signale iz mišic v preostalem delu noge, kar uporabniku omogoča premikanje proteze z lastnimi mislimi in naravnimi refleksi.

V kliničnem preskušanju s 14 osebami so udeleženci s tem vmesnikom lahko hodili 41 % hitreje kot tisti s tradicionalnimi robotskimi nogami. Imeli so tudi boljše ravnotežje in sposobnost spreminjanja hitrosti, vzpenjanja po stopnicah in premagovanja ovir. Rezultati so bili objavljeni danesNaravna medicinaobjavljeno 1.

"To je prva študija, ki prikazuje naravne vzorce hoje s popolno nevronsko modulacijo, kjer imajo možgani osebe 100-odstotni nadzor nad bionično protezo in ne robotskim algoritmom," je dejal soavtor študije. Hugh Lord, biofizik na Tehnološkem inštitutu Massachusetts v Cambridgeu, na tiskovni konferenci, na kateri je objavil rezultate.

"Čeprav je noga izdelana iz titana, silikona in različnih elektromehanskih komponent, se noga čuti in premika naravno, brez zavestnega razmišljanja," je dodal.

Herru so amputirali obe nogi, potem ko je obstal na ledu na gori Washington v New Hampshiru med snežnim metežem leta 1982. Pravi, da bi v prihodnosti razmislil o vmesniških napravah za svoje ude.

Mišice srečajo stroj

Večina obstoječih bioničnih umetnih udov se opira na prednastavljene algoritme za nadzor gibov in lahko samodejno preklaplja med vnaprej določenimi načini za različne pogoje hoje. Napredni modeli so ljudem z amputacijami pomagali bolj tekoče hoditi, teči in plezati po stopnicah, vendar robot ohranja nadzor nad gibanjem noge, ne uporabnika, naprave pa se ne počutijo kot del telesa.

Odločeni, da bodo to spremenili, so Herr in njegovi sodelavci razvili vmesnik, ki nadzoruje robotsko nogo s pomočjo signalov iz živcev in mišic, ki ostanejo po amputaciji.

Njihovo klinično preskušanje je vključevalo 14 udeležencev z amputacijami pod kolenom. Preden so nosili robotsko napravo, jih je sedem prestalo operacijo, s katero so povezali pare mišic v preostalih delih nog.

Cilj te kirurške tehnike, ki ustvari mionevralni vmesnik agonist-antagonist (AMI), je poustvariti naravne gibe mišic, tako da krčenje ene mišice raztegne drugo. To pomaga pri lajšanju bolečin, ohranjanju mišične mase in izboljšanju udobja z bionično nogo 2.

Sama bionična noga vključuje protetični gleženj, opremljen s senzorji in elektrodami, pritrjenimi na površino kože. Ti zajamejo električne signale, ki jih ustvarijo mišice na mestu amputacije, in jih pošljejo v majhen računalnik za dekodiranje. Noga tehta 2,75 kilograma, kar je podobno povprečni teži naravnega spodnjega dela noge.

Hitre izboljšave

Da bi preizkusili sistem, so udeleženci vadili s svojimi novimi bioničnimi nogami skupno šest ur. Raziskovalci so nato primerjali njihovo uspešnost pri različnih nalogah z uspešnostjo sedmih drugih udeležencev, ki so bili deležni konvencionalne operacije in protetike.

AMI je povečal hitrost mišičnih signalov na povprečno 10,5 pulza na sekundo v primerjavi s približno 0,7 pulza na sekundo v kontrolni skupini. Čeprav to predstavlja le 18 % mišičnih impulzov v biološko nepoškodovanih mišicah – približno 60 impulzov na sekundo – so udeleženci z AMI lahko popolnoma nadzorovali svoje proteze in hodili 41 % hitreje kot tisti v kontrolni skupini. Njihove najvišje hitrosti ustrezajo tistim ljudi brez amputacij, ko hodijo po ravni poti po 10 metrov dolgem hodniku.

"Pravzaprav se mi je zdelo izjemno, da jim je uspelo tako dobro s tako malo učenja," pravi Levi Hargrove, nevroznanstvenik na univerzi Northwestern v Chicagu, Illinois. "Videli bi še več koristi z daljšim obdobjem usposabljanja nošenja naprave."

Raziskovalci so tudi preizkusili, kako dobro se udeleženci znajo spopasti z različnimi situacijami, vključno s hojo po tleh s 5-stopinjskim naklonom, plezanjem po stopnicah in premagovanjem ovir. V vseh scenarijih so uporabniki AMI pokazali boljše ravnotežje in hitrejše delovanje kot ljudje v kontrolni skupini.

"Uporabniku daje tako visoko stopnjo prilagodljivosti, ki je veliko bližje biološki nogi," pravi Tommaso Lenzi, biomedicinski inženir na Univerzi Utah v Salt Lake Cityju.

Naravna izkušnja

Tehnologija ponuja novo upanje za ljudi z amputacijami, ki želijo ponovno pridobiti naravno hojo. "Ljudje, ki imajo amputacijo, želijo ohraniti nadzor nad svojimi udi. Želijo se počutiti, kot da je ud del njihovega telesa," pravi Lenzi. "Ta vrsta nevronskega vmesnika je potrebna za dosego tega."

Izboljšave oblikovanja noge bi lahko zmanjšale težo in optimizirale površinske elektrode, ki so občutljive na vlago in znoj in morda niso primerne za vsakodnevno uporabo, pravi Lenzi. Prihodnje študije bodo potrebne, da se preveri, ali naprava zmore zahtevnejše dejavnosti, kot sta sprint in skoki.

Herr pravi, da njegova ekipa že išče načine za zamenjavo površinskih elektrod z majhnimi vsajenimi magnetnimi kroglicami, ki lahko natančno sledijo gibanju mišic.

Ta študija "zagotavlja osnovo, ki jo potrebujemo, da to nato prevedemo v klinično izvedljive tehnologije in rešitve za vsakogar z amputacijo," pravi Lenzi.