Realistyczne ramię protetyczne

Ludzie, którzy stracili rękę, tradycyjnie nie mieli zbytniej nadziei na odzyskanie kiedykolwiek znaczącej funkcji. Ramiona protetyczne były kontrolowane w szczątkowy sposób, przekształcając resztkowe ruchy ramion lub sygnały mięśniowe w najprostsze polecenia ruchu. Te sztuczne ramiona nie mogą zrobić dwóch rzeczy na raz, a tym bardziej trzech lub czterech. Osoby po amputacji często wrzucają je do szafy z czystej frustracji, nieco urażone faktem, że osoby po amputacji nóg mają do dyspozycji znacznie lepsze produkty.

Bioniczne ramię: Po przejściu nowatorskiego zabiegu chirurgicznego Claudia Mitchell może kontrolować protezę ręki tak, jak kiedyś kontrolowała swoje prawdziwe ramię, wykonując złożone ruchy, takie jak podnoszenie małych przedmiotów i wrzucanie ich do kubka.

Ale sytuacja zaczyna się zmieniać dzięki zespołowi kierowanemu przez Todda Kuikena, dyrektora Instytutu Rehabilitacji Centrum Medycyny Bionicznej w Chicago. Kuiken opracował nowatorską technikę chirurgiczną, która w połączeniu ze zmotoryzowanymi ramionami protezowymi już dostępnymi na rynku i eksperymentalnymi ramionami bionicznymi opracowanymi w ramach programu Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), zapewnia osobom po amputacji niezwykły poziom sprawności. Claudia Mitchell, która straciła rękę w wypadku motocykla w 2004 roku, pamięta, jak założyła protezę po przejściu zabiegu Kuikena i po raz pierwszy zobaczyła, jak działa: Nie mogłeś zetrzeć tego uśmiechu z mojej twarzy. Teraz mogę znów wyprasować koszulę jak niczyja sprawa. Mitchell stał się hitem na imprezach. Ludzie nie mogą uwierzyć, jak to działa, mówi. Chcą zobaczyć, jak robię z nim różne rzeczy.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Urządzenie jest aktywowane przez polecenia z ocalałych nerwów ramienia, które zostały przeszczepione i ponownie podłączone do mięśni w innym miejscu – zazwyczaj, jak w przypadku Mitchella, w klatce piersiowej. Nerwy wysyłają sygnały elektryczne, które sterują protezą ręki, co jest tak naturalne, że obserwatorzy często nie zdają sobie sprawy, że ramię jest bioniczne, dopóki nie będą uważnie słuchać dźwięku warczących silników. Ta procedura, nazywana ukierunkowaną reinerwacją mięśni, jest wyjątkowa, ponieważ umożliwia intuicyjną kontrolę nad kończyną robota. Po około sześciu miesiącach gojenia pacjenci mogą poruszać ramieniem, myśląc tylko o tym, czego chcą, tak jak kiedyś robili to swoimi prawdziwymi ramionami. Powiedz Mitchellowi Zegnij ramię, a mięśnie jej klatki piersiowej natychmiast się wzdrygną – to bardzo osobliwy widok. Ale nie myśli o poruszaniu mięśniami klatki piersiowej. Raczej myśli o zgięciu ramienia i ta myśl porusza mięśniami klatki piersiowej, aby ramię robota wykonało jej polecenie.

Kuiken niedawno opublikował obiecujące wyniki testów w Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Medycznego , pokazując, że pięciu pacjentom, którym polecono wykonać 10 różnych ruchów ramieniem za pomocą wirtualnej protezy, mogło to zrobić prawie tak łatwo, jak osoby bez amputacji w grupie kontrolnej: ich czas reakcji był krótszy o mniej niż ćwierć sekundy. (Wirtualna proteza pozwala naukowcom łatwiej określić prędkość i poziom kontroli, które można uzyskać z sygnałów mięśniowych. Naukowcy przeprowadzili podobne eksperymenty z mechanicznymi ramionami). W towarzyszącym artykule wstępnym pionier biomedyczny Gerald Loeb napisał: Prędkość jako jak również dokładność ruchów stanowi znaczną poprawę w stosunku do poprzednich systemów. Jeszcze ważniejsza jest jednak łatwość, z jaką pacjenci nauczyli się wykonywać zadania wymagające skoordynowanego ruchu w więcej niż jednym stawie. Doszedł do wniosku, że wraz ze wzrostem możliwości funkcjonalnych pacjenci z amputacją kończyn górnych mogą czerpać wyjątkowe korzyści z protez ramion, podobnie jak legiony pacjentów z amputacją kończyn dolnych prowadzą obecnie niezwykle normalne, a nawet sportowe życie. (Protezy nóg są dalej rozwijane, ponieważ istnieje na nie większy rynek: 90 procent osób po amputacji straciło kończyny dolne. Ponadto nogi nie wymagają tak dużej zręczności jak ramiona).

Podróż od wstępnej konsultacji w Chicago do pełnej funkcjonalności – powiedzmy, umiejętności krojenia cytryny protetyczną ręką, trzymając ją naturalną ręką – często trwa rok lub dłużej. Pacjenci poddawani są najpierw dwugodzinnej operacji wykonanej przez Grega Dumaniana, chirurga plastycznego i ręki z Chicago, który ściśle współpracował z Kuiken przy opracowywaniu tej procedury. Dumanian identyfikuje zachowaną część nerwów, które wcześniej przewodziły sygnały elektryczne z rdzenia kręgowego do utraconej kończyny; następnie przenosi je na mięśnie klatki piersiowej lub ramienia. Nerw, który normalnie powoduje zamknięcie ręki, może zostać przeniesiony na przykład na część mięśnia klatki piersiowej. (Dokładna procedura różni się w zależności od obrażeń pacjenta.) Gdy ramię robota jest na miejscu, elektroda na klatce piersiowej wykrywa skurcze tego mięśnia i wysyła sygnał do protezy. Proteza jest zaprogramowana tak, aby interpretować ten sygnał jako polecenie zamknięcia dłoni, a czynność ta zwykle ma miejsce mniej niż pół sekundy po ruchu mięśnia klatki piersiowej.

Eksperymentalne ramiona bioniczne są również zaprogramowane za pomocą algorytmów rozpoznawania wzorców, aby odszyfrować szybkie serie sygnałów nerwowych, które rządzą ruchami ręki i nadgarstka. Ponad 30 pacjentów, którzy przeszli zabieg, twierdzi, że z łatwością są w stanie pokroić ostrą paprykę, otworzyć worek mąki, założyć pasek, operować taśmą mierniczą lub wyjąć nową piłkę tenisową z pojemnika.

Wśród kilku eksperymentalnych podejść do ulepszania protez ramion, w tym przenoszenia nerwów bezpośrednio do protezy i dekodowania sygnałów ruchu bezpośrednio z mózgu, technika Kuikena jest tą, która poczyniła największe postępy. Pierwsza z nich nie została jeszcze przetestowana na ludziach, a druga jest obecnie uważana za zbyt niebezpieczną dla większości pacjentów, ponieważ wymaga operacji mózgu. Kuiken mówi, że postrzega ukierunkowaną reinerwację jako szybszy i bardziej praktyczny sposób przywracania kluczowych funkcji. (Jego podejście nie pomoże jednak czworonogom, ponieważ nerwy muszą być nienaruszone, aby procedura zadziałała.) Jak dotąd procedura jest wykonywana tylko w ośrodku rehabilitacyjnym Kuiken; w trwających badaniach ośrodek oferuje go każdemu pacjentowi, dla którego jest uznawany za odpowiedni z medycznego punktu widzenia.

Choć jest zaawansowana, eksperymentalna proteza wciąż nie ma ważnej funkcji: doznania. Gdyby Mitchell położył bioniczną rękę na gorącej patelni, nie miałaby możliwości poznania jej temperatury. Nadanie protezy możliwości czuciowych podobnych do rzeczywistych kończyn jest bardziej skomplikowane niż przywracanie ruchu. Ale to nie jest niemożliwe. Podczas gdy procedura Kuikena koncentruje się na poruszaniu nerwami ruchowymi, które przewodzą sygnały nerwowe z mózgu do mięśni, wydaje się, że dotyczy to również nerwów czuciowych, które przenoszą sygnały ze skóry do mózgu. Pacjenci, w tym Mitchell, zgłaszali, że dotykając pewnych obszarów ich zmienionych mięśni klatki piersiowej, czują się tak, jakby dotykano ich brakującej ręki. Połóż kostkę lodu na klatce piersiowej, a fantomowa ręka wystygnie.

Kuiken, Loeb i inni badają sposoby, w jakie bioniczne ramię może wykorzystać te zmysłowe informacje. Na początek będą potrzebować czujników, które są odporne na wilgoć, ciepło i inne fizyczne okoliczności codziennego życia. Następnie będą musiały dostarczyć użytkownikowi te informacje sensoryczne.

Ale teraz jasne jest, że po raz pierwszy w zasięgu wzroku jest użyteczna proteza ręki. Nie próbujemy stworzyć bionicznej osoby, która potrafi przeskakiwać wysokie budynki i podnosić samochody, mówi Kuiken. Staramy się stworzyć coś, co przywróci ułamek niesamowitej funkcji, mocy i sprawności ludzkiej kończyny. Dla osób po amputacji ręki, takich jak Claudia Mitchell, oznacza to szansę, którą osoby po amputacji nogi miały od lat.

Michael Rosenwald jest pisarzem personelu w Washington Post .

ukryć