Ett robotben som helt kan kontrolleras av hjärnan och ryggmärgen har gjort det möjligt för sju personer som tappat ett underben att gå ungefär lika snabbt som människor utan amputationer.

Det bioniska benet använder ett datorgränssnitt som förstärker nervsignaler från musklerna i den återstående delen av benet, vilket gör att bäraren kan flytta protesen med sina egna tankar och naturliga reflexer.

I en klinisk prövning med 14 personer kunde deltagarna med detta gränssnitt gå 41 % snabbare än de med traditionella robotben. De hade också bättre balans och förmåga att ändra hastighet, klättra i trappor och övervinna hinder. Resultaten offentliggjordes idagNaturmedicinpubliceras 1.

"Detta är den första studien som visar naturliga gångmönster med full neural modulering, där personens hjärna har 100% kontroll över den bioniska protesen, inte en robotalgoritm", säger studiens medförfattare. Hugh Lord, en biofysiker vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, vid en presskonferens som tillkännager resultaten.

"Även om benet är tillverkat av titan, silikon och olika elektromekaniska komponenter, känns och rör sig benet naturligt, utan att tänka efter", tillade han.

Herr fick båda benen amputerade efter att han strandade på isen på Mount Washington i New Hampshire under en snöstorm 1982. Han säger att han skulle överväga gränssnittsenheter för sina lemmar i framtiden.

Muskel möter maskin

De flesta existerande bioniska konstgjorda lemmar förlitar sig på förinställda algoritmer för att kontrollera rörelser och kan automatiskt växla mellan fördefinierade lägen för olika gångförhållanden. Avancerade modeller har hjälpt personer med amputerade att gå, springa och gå i trappor smidigare, men roboten behåller kontrollen över benrörelsen, inte användaren, och enheten känns inte som en del av kroppen.

Fast beslutna att ändra på detta utvecklade Herr och hans kollegor ett gränssnitt som styr robotbenet med hjälp av signaler från nerverna och musklerna som finns kvar efter amputation.

Deras kliniska prövning inkluderade 14 deltagare med amputationer under knä. Innan de använde roboten opererades sju av dem för att koppla ihop muskelpar i de återstående delarna av benen.

Denna kirurgiska teknik, som skapar en agonist-antagonist myoneural interface (AMI), syftar till att återskapa naturliga muskelrörelser så att sammandragningen av en muskel sträcker en annan. Detta hjälper till att lindra smärta, bibehålla muskelmassa och förbättra komforten med det bioniska benet 2.

Själva det bioniska benet inkluderar en fotledsprotes utrustad med sensorer och elektroder fästa på hudens yta. Dessa fångar upp elektriska signaler som genereras av musklerna vid amputationsplatsen och skickar dem till en liten dator för avkodning. Benet väger 2,75 kilo, liknande medelvikten för ett naturligt underben.

Snabba förbättringar

För att testa systemet övade deltagarna med sina nya bioniska ben i totalt sex timmar vardera. Forskarna jämförde sedan sin prestation på olika uppgifter med den för de sju andra deltagarna som hade genomgått konventionell kirurgi och proteser.

AMI ökade hastigheten för muskelsignaler till i genomsnitt 10,5 pulser per sekund, jämfört med cirka 0,7 pulser per sekund i kontrollgruppen. Även om detta endast representerar 18 % av muskelimpulserna i biologiskt intakta muskler – cirka 60 impulser per sekund – kunde deltagarna med AMI helt kontrollera sina proteser och gick 41 % snabbare än de i kontrollgruppen. Deras topphastigheter motsvarar dem för personer utan amputationer när de går på en jämn stig längs en 10 meter lång korridor.

"Jag tyckte faktiskt att det var anmärkningsvärt att de kunde göra det så bra med så lite lärande", säger Levi Hargrove, en neuroforskare vid Northwestern University i Chicago, Illinois. "De skulle se ännu mer fördelar med en längre träningsperiod för att bära enheten."

Forskare testade också hur väl deltagarna kunde hantera olika situationer, inklusive att gå på ett golv med 5 graders lutning, gå i trappor och övervinna hinder. I alla scenarier visade AMI-användare bättre balans och snabbare prestanda än personer i kontrollgruppen.

"Det ger användaren en så hög grad av flexibilitet som är mycket närmare det biologiska benet", säger Tommaso Lenzi, en biomedicinsk ingenjör vid University of Utah i Salt Lake City.

Naturupplevelse

Tekniken ger nytt hopp för personer med amputationer som vill återfå naturlig gång. "Människor som har en amputation vill behålla kontrollen över sina lemmar. De vill känna att lemmen är en del av deras kropp", säger Lenzi. "Den här typen av neurala gränssnitt är nödvändiga för att uppnå detta."

Förbättringar av benets design kan minska vikten och optimera ytelektroder, som är känsliga för fukt och svett och kanske inte är lämpliga för dagligt bruk, säger Lenzi. Framtida studier kommer att behövas för att testa om enheten klarar mer krävande aktiviteter som sprint och hoppning.

Herr säger att hans team redan tittar på sätt att ersätta ytelektroderna med små implanterade magnetiska bollar som exakt kan spåra muskelrörelser.

Denna studie "ger den grund vi behöver för att sedan översätta detta till kliniskt genomförbara teknologier och lösningar för alla med en amputation", säger Lenzi.