Zum ersten Mal war eine kleine Gruppe von Patienten mit Unterschenkelamputation in der Lage, die Bewegungen ihrer Beinprothesen mithilfe neuronaler Signale zu steuern (anstatt sich für die gesamte Bewegung oder einen Teil davon auf programmierte Zyklen zu verlassen) und wieder in einem natürlichen Gang zu gehen. . Die Errungenschaft erforderte ein spezielles Amputationschirurgieverfahren in Kombination mit einer nicht-invasiven Oberflächenelektrodenverbindung zu einer Roboterbeinprothese. Eine Studie, die die Technologien beschreibt, wurde heute in der Zeitschrift veröffentlicht Natürliche Medizin.
„Was dann passiert, ist ziemlich wundersam. Patienten mit dieser neuronalen Schnittstelle können mit normaler Geschwindigkeit gehen; und Treppen und Hänge hinauf- und hinuntergehen; und Hindernisse wirklich ohne nachzudenken manövrieren. Es ist natürlich. Es ist unbeabsichtigt“, sagte Co-Autor Hugh Herr, der am MIT Media Lab bionische Prothesen entwickelt.„Obwohl ihre Gliedmaßen aus Titan und Silikon (all diesen verschiedenen elektromechanischen Komponenten) bestehen, fühlen sich die Gliedmaßen natürlich an und bewegen sich natürlich, auch ohne bewusstes Nachdenken.“
Der Ansatz beruht auf einem chirurgischen Eingriff an der Amputationsstelle, um das zu schaffen, was Forscher als a bezeichnen Myoneurale Agonist-Antagonist-Schnittstelle, wo bin ich. Das Verfahren beinhaltet die Verbindung von Muskelpaaren (im Falle einer Amputation unterhalb des Knies zwei Paare) sowie die Einführung proprietärer synthetischer Elemente.
Die Schnittstelle stellt eine wechselseitige Verbindung zwischen Körper und Maschine her. Muskelempfindliche Elektroden senden Signale an einen kleinen Computer in der Prothese, der sie als Winkel und Kräfte für die Gelenke im Knöchel und Fußballen interpretiert. Außerdem liefert es Informationen über die Position des künstlichen Beins und stellt so die Wahrnehmung der Position der Gliedmaße im Raum, auch Propriozeption genannt, wieder her.
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„Diese besondere Art der Kontrolle geht weit über alles hinaus, was sich irgendjemand vorgestellt hat“, sagte Daniel Ferris, Neuromechanik-Ingenieur an der University of Florida. Ferris war an der Studie nicht beteiligt, arbeitete jedoch an neuronalen Schnittstellen zur Steuerung von Prothesen der unteren Gliedmaßen. „Es ist eine wirklich innovative Idee, auf der sie in den letzten acht Jahren aufgebaut haben und die wirklich positive Ergebnisse für bessere bionische Beine zeigt.“ » Die neueste Veröffentlichung zeichnet sich durch eine größere Teilnehmerzahl als frühere Studien aus: Sieben behandelte Patienten und sieben Kontrollpatienten mit typischen Amputationen und Beinprothesen.
Um die bionischen Beine zu testen, wurden die Patienten gebeten, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf ebenem Boden zu gehen, Hänge und Treppen hinauf und hinunter zu gehen und Hindernisse zu umgehen. AMI-Benutzer hatten einen natürlicheren Gang, der der Bewegung einer Person mit natürlichen Gliedmaßen näher kam. Eine natürlichere Bewegung kann die Bewegungsfreiheit verbessern, insbesondere in schwierigem Gelände, aber in anderen Studien haben Forscher auch geringere Energiekosten, eine geringere Belastung des Körpers und sogar soziale Vorteile für einige Amputierte festgestellt.
Hyungeun Song, Co-Autor und Postdoktorand am MIT, sagt, die Gruppe sei überrascht gewesen, wie effektiv der bionische Aufbau sei. Die prothetische Schnittstelle übermittelte nur 18 Prozent der normalerweise von einem Gliedmaßen an die Wirbelsäule gesendeten Informationsmenge, reichte jedoch aus, um den Patienten das Gehen mit einem als normal geltenden Gang zu ermöglichen.
Nächste Schritte für das bionische Bein
AMI-Amputationen sind im Brigham and Women’s Hospital in Massachusetts, wo Co-Autor Matthew Carty arbeitet, mittlerweile zur Norm geworden. Und aufgrund der Vorteile für Patienten in Bezug auf Schmerzen und Benutzerfreundlichkeit selbst passiver (oder nicht robotergestützter) Prothesen könnte diese Technik – oder etwas Ähnliches – weit über die aktuelle Forschungsumgebung hinausgehen. Bis heute wurden weltweit etwa 60 Menschen wegen eines Myokardinfarkts oberhalb oder unterhalb des Ellenbogens oder Knies operiert.
Prinzipiell, so Herr, könne sich eine Person mit einer früheren Gliedmaßenamputation, wie er selbst, nach einem Herzinfarkt einer Rehabilitation unterziehen, und er erwäge den Eingriff ernsthaft. Mehr als 2 Millionen Amerikaner Nach Angaben der Amputee Coalition leben derzeit Menschen mit verlorenen Gliedmaßen, und jedes Jahr werden in den Vereinigten Staaten fast 200.000 Beine amputiert.
Auf der Robotikseite gibt es bereits kommerzielle Beinprothesen, die mit der neuronalen Schnittstelle kompatibel gemacht werden könnten. Der Bereich, der am stärksten weiterentwickelt werden muss, ist die Verbindung zwischen der Amputationsstelle und der Prothese. Herr sagt, dass es etwa fünf Jahre dauern könnte, bis diese Schnittstelle auf den Markt kommt.
Herr sagt, sein langfristiges Ziel sei die neuronale Integration und Verkörperung: das Gefühl, dass eine Prothese Teil des Körpers und kein Werkzeug sei. Die neue Studie „ist ein entscheidender Schritt nach vorne – Wortspiel beabsichtigt.“