Et robotben, der kan kontrolleres fuldt ud af hjernen og rygmarven, har gjort det muligt for syv mennesker, der mistede et underben til at gå rundt så hurtigt som mennesker uden amputationer.

Det bioniske ben bruger en computergrænseflade, der forstærker nervesignaler fra musklerne i den resterende del af benet, så bæreren kan bevæge protesen ved hjælp af deres egne tanker og naturlige reflekser.

I et 14-personers kliniske forsøg var deltagere med denne grænseflade i stand til at gå 41% hurtigere end dem med traditionelle robotben. De havde også bedre balance og evnen til at ændre hastighed, klatre op ad trappen og overvinde hindringer. Resultaterne blev annonceret i dagNaturmedicinoffentliggjort 1.

”Dette er den første undersøgelse, der viser naturlige gangmønstre med fuld neural modulation, hvor personens hjerne har 100% kontrol over den bioniske protese, ikke en robotalgoritme,” sagde studieforfatter Hugh Lord, en biofysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, på en pressekonference, der annoncerede resultaterne.

”Selvom benet er lavet af titanium, silikone og forskellige elektromekaniske komponenter, føles benet og bevæger sig naturligt uden bevidst tanke,” tilføjede han.

Herr havde begge ben amputeret, efter at han var strandet på is på Mount Washington i New Hampshire under en snestorm i 1982. Han siger, at han ville overveje interface -enheder til sine lemmer i fremtiden.

Muskel møder maskine

De fleste eksisterende bioniske kunstige lemmer er afhængige af forudindstillede algoritmer for at kontrollere bevægelser og kan automatisk skifte mellem foruddefinerede tilstande til forskellige vandreforhold. Avancerede modeller har hjulpet folk med amputerede med at gå, løbe og klatre op ad trappen mere flydende, men roboten bevarer kontrollen over benbevægelsen, ikke brugeren, og enheden føles ikke som en del af kroppen.

Herr og hans kolleger var fast besluttet på at ændre dette og udviklede en grænseflade, der kontrollerer robotbenet ved hjælp af signaler fra nerver og muskler, der forbliver efter amputation.

Deres kliniske forsøg omfattede 14 deltagere med amputationer under knæet. Før syv af dem bærer robotindretningen gennemgik syv af dem for at forbinde par muskler i de resterende sektioner af deres ben.

Denne kirurgiske teknik, der skaber en agonist-antagonist Myoneural Interface (AMI), sigter mod at genskabe naturlige muskelbevægelser, så sammentrækningen af ​​en muskel strækker en anden. Dette hjælper med at lindre smerter, opretholde muskelmasse og forbedre komforten med det bioniske ben 2.

Selve bionisk ben inkluderer en protetisk ankel udstyret med sensorer og elektroder fastgjort til overfladen af ​​huden. Disse fanger elektriske signaler genereret af musklerne på amputationsstedet og sender dem til en lille computer til afkodning. Benet vejer 2,75 kg, svarende til den gennemsnitlige vægt af et naturligt underben.

Hurtige forbedringer

For at teste systemet øvede deltagerne med deres nye bioniske ben i alt seks timer hver. Forskerne sammenlignede derefter deres præstation på forskellige opgaver med de syv andre deltagere, der havde modtaget konventionel kirurgi og protetik.

AMI øgede hastigheden af ​​muskelsignaler til et gennemsnit på 10,5 pulser pr. Sekund sammenlignet med ca. 0,7 pulser pr. Sekund i kontrolgruppen. Selvom dette kun repræsenterer 18% af muskelimpulser i biologisk intakte muskler - ca. 60 impulser pr. Sekund - var deltagerne med AMI i stand til fuldt ud at kontrollere deres proteser og gik 41% hurtigere end dem i kontrolgruppen. Deres spidshastigheder svarer til dem fra mennesker uden amputationer, når de går på en niveau sti langs en 10 meter lang korridor.

"Jeg fandt det faktisk bemærkelsesværdigt, at de kunne gøre det så godt med så lidt læring," siger Levi Hargrove, en neurovidenskabsmand ved Northwestern University i Chicago, Illinois. ”De ville se endnu mere fordel med en længere træningsperiode med at bære enheden.”

Forskere testede også, hvor godt deltagerne kunne håndtere forskellige situationer, herunder at gå på et gulv med en 5-graders hældning, klatre trapper og overvinde hindringer. I alle scenarier demonstrerede AMI -brugere bedre balance og hurtigere ydeevne end folk i kontrolgruppen.

”Det giver brugeren en så høj grad af fleksibilitet, der er meget tættere på det biologiske ben,” siger Tommaso Lenzi, en biomedicinsk ingeniør ved University of Utah i Salt Lake City.

Naturlig oplevelse

Teknologien tilbyder nyt håb for mennesker med amputationer, der ønsker at genvinde naturlig vandring. "Folk, der har en amputation, ønsker at bevare kontrollen over deres lemmer. De vil føle, at lemmet er en del af deres krop," siger Lenzi. ”Denne type neurale interface er nødvendig for at opnå dette.”

Forbedringer af benets design kan reducere vægten og optimere overfladeelektroder, som er følsomme over for fugt og sved og måske ikke er egnede til daglig brug, siger Lenzi. Fremtidige undersøgelser er nødvendige for at teste, om enheden kan håndtere mere krævende aktiviteter såsom sprinting og hoppe.

Herr siger, at hans team allerede ser på måder at erstatte overfladeelektroderne med små implanterede magnetiske kugler, der nøjagtigt kan spore muskelbevægelser.

Denne undersøgelse "giver det fundament, vi har brug for for derefter at oversætte dette til klinisk levedygtige teknologier og løsninger til alle med en amputation," siger Lenzi.