«Протезы», контролируемые разумом, теперь являются частью повседневной жизни

K_O_S | 20 мая, 2020 | Технологии | Комментариев нет

Впервые люди с ампутацией руки могут испытывать ощущение прикосновения в протезе руки с контролем сознания, который они используют в повседневной жизни. В исследовании, опубликованном в Медицинском журнале Новой Англии, сообщается о трех шведских пациентах, которые несколько лет жили с этой новой технологией — одним из самых интегрированных в мире интерфейсов между человеком и машиной.

Прогресс уникален: пациенты использовали управляемый разумом протез в своей повседневной жизни на срок до семи лет. Последние несколько лет они также жили с новой функцией — ощущением прикосновения в протезе руки. Это новая концепция для искусственных конечностей, которые называются нейромышечно-скелетными протезами, так как они связаны с нервами, мышцами и скелетом пользователя.

Руководил исследованием Макс Ортис Каталан, доцент Технологического университета Чалмерса, в сотрудничестве с Университетской больницей Sahlgrenska, Гетеборгским университетом и Integrum AB, все в Гетеборге, Швеция. Исследователи из Медицинского университета Вены в Австрии и Массачусетского технологического института в США также были вовлечены.

«Наше исследование показывает, что протезная рука, прикрепленная к кости и управляемая электродами, имплантированными в нервы и мышцы, может работать намного точнее, чем обычные протезы. Мы также улучшили использование протеза, интегрировав тактильную сенсорную обратную связь, которую используют пациенты. чтобы понять, как трудно захватить или сжать объект. Со временем способность пациентов различать небольшие изменения в интенсивности ощущений улучшилась », — говорит Макс Ортис Каталан.

«Самый важный вклад этого исследования состоял в том, чтобы продемонстрировать, что этот новый тип протеза является клинически жизнеспособной заменой потерянной руки. Независимо от того, насколько сложным становится нейронный интерфейс, он может принести реальную пользу пациентам, только если связь между пациентом и протез безопасен и надежен в долгосрочной перспективе. Наши результаты являются результатом многолетней работы, и теперь мы можем наконец представить первый протез бионического плеча, который можно надежно контролировать с помощью имплантированных электродов, а также передавать ощущения пользователю в повседневной жизни «, продолжает Макс Ортис Каталонский.

После получения протезов пациенты ежедневно использовали их во всех своих профессиональных и личных делах.

Новая концепция нейромышечно-скелетного протеза является уникальной в том смысле, что она обеспечивает несколько различных функций, которые не были представлены вместе ни в одной другой технологии протезирования в мире:

Он имеет прямую связь с нервами, мышцами и скелетом человека.
Он контролируется разумом и доставляет ощущения, которые воспринимаются пользователем как возникающие из-за пропавшей руки.
Это автономно; вся необходимая электроника содержится в протезе, поэтому пациентам не нужно носить дополнительное оборудование или батареи.
Это безопасно и стабильно в долгосрочной перспективе; эта технология использовалась пациентами без перерыва во время их повседневной деятельности, без надзора со стороны исследователей, и она не ограничивается ограниченной или контролируемой средой.

Новейшая часть технологии — ощущение прикосновения — возможна благодаря стимуляции нервов, которые раньше были связаны с биологической рукой до ампутации. Датчики силы, расположенные на большом пальце протеза, измеряют контакт и давление, прилагаемое к объекту во время захвата. Эта информация передается нервам пациентов, ведущим к их мозгу. Таким образом, пациенты могут чувствовать, когда они касаются предмета, его характеристик и того, как сильно они нажимают на него, что крайне важно для имитации биологической руки.

«В настоящее время датчики не являются препятствием для восстановления ощущений», — говорит Макс Ортис Каталан. «Задача заключается в создании нейронных интерфейсов, которые могут беспрепятственно передавать большие объемы искусственно собранной информации в нервную систему таким образом, чтобы пользователь мог испытывать ощущения естественно и без усилий».

Внедрение этой новой технологии состоялось в больнице Sahlgrenska University, во главе с профессором Рикардом Бранемарком и доктором Паоло Сассу. Более миллиона человек во всем мире страдают от потери конечностей, и конечной целью исследовательской группы в сотрудничестве с Integrum AB является разработка широко доступного продукта, подходящего для максимально возможного числа этих людей.

«Сейчас пациенты в Швеции участвуют в клинической валидации этой новой технологии протезирования для ампутации рук», — говорит Макс Ортис Каталан. «Мы ожидаем, что эта система станет доступной за пределами Швеции в течение нескольких лет, и мы также добиваемся значительного прогресса в использовании аналогичной технологии для протезов ног, которую мы планируем внедрить первому пациенту в конце этого года».

Подробнее о: как работает технология

Система имплантатов для протеза руки называется e-OPRA и основана на системе имплантатов OPRA, созданной Integrum AB. Система имплантатов прикрепляет протез к скелету в культю ампутированной конечности посредством процесса, называемого остеоинтеграция (osseo = кость). Электроды вживляются в мышцы и нервы внутри культи ампутации, и система e-OPRA посылает сигналы в обоих направлениях между протезом и мозгом, как в биологической руке.

Протез контролируется разумом посредством электрических мышц и нервных сигналов, посылаемых через культю руки и захваченных электродами. Сигналы передаются в имплантат, который проходит через кожу и соединяется с протезом. Затем сигналы интерпретируются встроенной системой управления, разработанной исследователями. Система управления достаточно мала, чтобы поместиться внутри протеза, и она обрабатывает сигналы, используя сложные алгоритмы искусственного интеллекта, в результате чего получаются управляющие сигналы для движений руки протеза.

Ощущения касания возникают от датчиков силы в протезе большого пальца. Сигналы от датчиков преобразуются системой управления в протезе в электрические сигналы, которые посылаются для стимуляции нерва в культю руки. Нерв ведет к мозгу, который затем воспринимает уровни давления на руку.

Нейромускульный имплантат может соединяться с любым имеющимся в продаже протезом руки, что позволяет им работать более эффективно.

Подробнее о том, как переживается искусственное ощущение

Люди, которые теряют руку или ногу, часто испытывают фантомные ощущения, как будто недостающая часть тела остается, хотя физически не присутствует. Когда сенсоры силы в протезе большого пальца реагируют, пациенты в исследовании чувствуют, что ощущение происходит от их призрачной руки. Точно, где на фантомной руке варьируется между пациентами, в зависимости от того, какие нервы в культю получают сигналы. Самый низкий уровень давления можно сравнить с касанием кожи кончиком карандаша. По мере увеличения давления чувство становится все более и более «электрическим».

Подробнее о исследовании

Текущее исследование касалось пациентов с ампутациями выше локтя, и эта технология близка к тому, чтобы стать готовым продуктом. Исследовательская группа работает параллельно с новой системой для ампутации ниже локтевого сустава. В этих случаях вместо одной большой кости (плечевой кости) имеются две меньшие кости (радиус и локтевая кость), к которым необходимо прикрепить имплантат. Группа также работает над адаптацией системы для протезов ног.

В дополнение к приложениям в протезировании, постоянный интерфейс между человеком и машиной предоставляет совершенно новые возможности для научных исследований того, как работают мышечная и нервная системы человека.

Доцент Макс Ортис Каталан возглавляет Лабораторию биомехатроники и нейрореабилитации в Технологическом университете Чалмерса и в настоящее время создает в тесном сотрудничестве с Чалмерсом и Гетеборгским университетом новый Центр исследований бионики и боли при Университетской больнице Sahlgrenska, где эта работа будет продолжена. разработан и внедрен в клиническую практику.

Исследование финансировалось Фондом Promobilia, Исследовательским фондом IngaBritt и Arne Lundbergs, Region Västra Götaland (гранты ALF), Винновой, Шведским исследовательским советом и Европейским исследовательским советом.

Источник истории:

Материалы предоставлены Чалмерским технологическим университетом . Оригинал написан Джоанной Уайлд. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

Связанные мультимедиа :

YouTube видео: самый естественный роботизированный протез в мире

Ссылка на журнал :

Макс Ортис-Каталан, Энцо Мастину, Паоло Сассу, Оскар Асманн, Рикард Бранемарк. Автономные протезы нейромышечно-скелетного плеча . Медицинский журнал Новой Англии , 2020; 382 (18): 1732 DOI: 10.1056 / NEJMoa1917537