Ένα ρομποτικό πόδι που μπορεί να ελεγχθεί πλήρως από τον εγκέφαλο και το νωτιαίο μυελό επέτρεψε επτά άτομα που έχασαν ένα χαμηλότερο πόδι για να περπατήσουν τόσο γρήγορα όσο οι άνθρωποι χωρίς ακρωτηριασμό.

Το βιονικό πόδι χρησιμοποιεί ένα περιβάλλον υπολογιστή που ενισχύει τα νευρικά σήματα από τους μύες στο υπόλοιπο μέρος του ποδιού, επιτρέποντας στον χρήστη να μετακινήσει την πρόθεση χρησιμοποιώντας τις δικές του σκέψεις και φυσικά αντανακλαστικά.

Σε μια κλινική δοκιμή 14 ατόμων, οι συμμετέχοντες με αυτή τη διεπαφή ήταν σε θέση να περπατήσουν 41% ταχύτερα από εκείνους με παραδοσιακά ρομποτικά πόδια. Είχαν επίσης καλύτερη ισορροπία και την ικανότητα να αλλάζουν ταχύτητα, να ανεβαίνουν τις σκάλες και να ξεπεράσουν τα εμπόδια. Τα αποτελέσματα ανακοινώθηκαν σήμεραΦυσική ιατρικήδημοσιευμένος 1.

"Αυτή είναι η πρώτη μελέτη που δείχνει φυσικά πρότυπα βάδισης με πλήρη νευρική διαμόρφωση, όπου ο εγκέφαλος του ατόμου έχει 100% έλεγχο πάνω στη βιονική πρόθεση, όχι έναν ρομποτικό αλγόριθμο", δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Χιου Κύριε, ένας βιοφυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στο Cambridge, σε συνέντευξη Τύπου που αναγγέλλει τα αποτελέσματα.

"Αν και το πόδι είναι κατασκευασμένο από τιτάνιο, σιλικόνη και διάφορα ηλεκτρομηχανικά συστατικά, το πόδι αισθάνεται και κινείται φυσικά, χωρίς συνειδητή σκέψη", πρόσθεσε.

Ο Herr είχε και τα δύο πόδια ακρωτηριασμένα αφού ήταν λανθάνον στον πάγο στο Όρος Ουάσιγκτον στο Νιου Χάμσαϊρ κατά τη διάρκεια μιας χιονοθύελλας το 1982. Λέει ότι θα θεωρούσε συσκευές διασύνδεσης για τα άκρα του στο μέλλον.

Το Muscle Meets Machine

Τα περισσότερα υπάρχοντα βιονικά τεχνητά άκρα βασίζονται σε προκαθορισμένους αλγόριθμους για τον έλεγχο των κινήσεων και μπορούν να αλλάξουν αυτόματα μεταξύ των προκαθορισμένων τρόπων για διαφορετικές συνθήκες περπατήματος. Τα προχωρημένα μοντέλα βοήθησαν τα άτομα με ακρωτηριασμό να περπατούν, να τρέχουν και να ανεβαίνουν στις σκάλες πιο ρευστά, αλλά το ρομπότ διατηρεί τον έλεγχο της κίνησης των ποδιών, όχι του χρήστη και η συσκευή δεν αισθάνεται σαν μέρος του σώματος.

Αποφασισμένος να αλλάξει αυτό, ο Herr και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια διεπαφή που ελέγχει το ρομποτικό πόδι χρησιμοποιώντας σήματα από τα νεύρα και τους μυς που παραμένουν μετά τον ακρωτηριασμό.

Η κλινική τους δοκιμή περιελάμβανε 14 συμμετέχοντες με ακρωτηριασμούς κάτω από το γόνατο. Πριν φορούν τη ρομποτική συσκευή, επτά από αυτά υποβλήθηκαν σε χειρουργική επέμβαση για να συνδέσουν ζεύγη μυών στα υπόλοιπα τμήματα των ποδιών τους.

Αυτή η χειρουργική τεχνική, η οποία δημιουργεί μια μυονική διεπαφή αγωνιστή-ανταγονιστή (AMI), στοχεύει στην αναδημιουργία των φυσικών μυϊκών κινήσεων, έτσι ώστε η συστολή ενός μυός να εκτείνεται σε άλλο. Αυτό βοηθά στην ανακούφιση του πόνου, στη διατήρηση της μυϊκής μάζας και στη βελτίωση της άνεσης με το βιονικό πόδι 2.

Το ίδιο το βιοϊκό πόδι περιλαμβάνει έναν προσθετικό αστράγαλο εξοπλισμένο με αισθητήρες και ηλεκτρόδια που συνδέονται με την επιφάνεια του δέρματος. Αυτά καταγράφουν ηλεκτρικά σήματα που παράγονται από τους μύες στη θέση ακρωτηριασμού και στέλνουν σε έναν μικρό υπολογιστή για αποκωδικοποίηση. Το πόδι ζυγίζει 2,75 κιλά, παρόμοια με το μέσο βάρος ενός φυσικού κάτω ποδιού.

Γρήγορες βελτιώσεις

Για να δοκιμάσουν το σύστημα, οι συμμετέχοντες ασκούσαν με τα νέα τους βιοϊκά πόδια για συνολικά έξι ώρες το καθένα. Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν την απόδοσή τους σε διάφορα καθήκοντα με εκείνη των επτά άλλων συμμετεχόντων που είχαν λάβει συμβατική χειρουργική επέμβαση και προσθετική.

Το AMI αύξησε τον ρυθμό των μυϊκών σημάτων σε μέσο όρο 10,5 παλμών ανά δευτερόλεπτο, σε σύγκριση με περίπου 0,7 παλμούς ανά δευτερόλεπτο στην ομάδα ελέγχου. Αν και αυτό αντιπροσωπεύει μόνο το 18% των μυϊκών παρορμήσεων σε βιολογικά άθικτους μύες - περίπου 60 παρορμήσεις ανά δευτερόλεπτο - οι συμμετέχοντες με AMI ήταν σε θέση να ελέγξουν πλήρως τις προθέσεις τους και περπατούσαν 41% ταχύτερα από εκείνους της ομάδας ελέγχου. Οι κορυφαίες ταχύτητες τους αντιστοιχούν σε εκείνες των ανθρώπων χωρίς ακρωτηριασμό όταν περπατούν σε μια διαδρομή επιπέδου κατά μήκος ενός διαδρόμου μήκους 10 μέτρων.

"Βρήκα πραγματικά αξιοσημείωτο ότι θα μπορούσαν να το κάνουν τόσο καλά με τόσο λίγη μάθηση", λέει ο Levi Hargrove, νευροεπιστήμονας στο Northwestern University στο Σικάγο του Ιλλινόις. "Θα έβλεπαν ακόμη περισσότερο οφέλη με μια μεγαλύτερη περίοδο κατάρτισης που φορούν τη συσκευή."

Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης πόσο καλά οι συμμετέχοντες θα μπορούσαν να χειριστούν διάφορες καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένου του περπατήματος σε ένα πάτωμα με κλίση 5 μοιρών, σκάλες αναρρίχησης και ξεπερνώντας τα εμπόδια. Σε όλα τα σενάρια, οι χρήστες της AMI επέδειξαν καλύτερη ισορροπία και ταχύτερη απόδοση από ό, τι οι άνθρωποι στην ομάδα ελέγχου.

"Δίνει στον χρήστη τόσο υψηλό βαθμό ευελιξίας που είναι πολύ πιο κοντά στο βιολογικό σκέλος", λέει ο Tommaso Lenzi, βιοϊατρικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα στο Salt Lake City.

Φυσική εμπειρία

Η τεχνολογία προσφέρει νέα ελπίδα για άτομα με ακρωτηριασμό που θέλουν να ανακτήσουν το φυσικό περπάτημα. "Οι άνθρωποι που έχουν ακρωτηριασμό θέλουν να διατηρήσουν τον έλεγχο των άκρων τους. Θέλουν να αισθάνονται ότι το άκρο είναι μέρος του σώματός τους", λέει ο Lenzi. "Αυτός ο τύπος νευρικής διασύνδεσης είναι απαραίτητος για να επιτευχθεί αυτό."

Οι βελτιώσεις στο σχεδιασμό του ποδιού θα μπορούσαν να μειώσουν το βάρος και να βελτιστοποιήσουν τα ηλεκτρόδια της επιφάνειας, τα οποία είναι ευαίσθητα στην υγρασία και τον ιδρώτα και μπορεί να μην είναι κατάλληλες για καθημερινή χρήση, λέει ο Lenzi. Θα χρειαστούν μελλοντικές μελέτες για να ελεγχθεί εάν η συσκευή μπορεί να χειριστεί πιο απαιτητικές δραστηριότητες όπως σπριντ και άλμα.

Ο Herr λέει ότι η ομάδα του εξετάζει ήδη τρόπους για να αντικαταστήσει τα επιφανειακά ηλεκτρόδια με μικρές εμφυτευμένες μαγνητικές μπάλες που μπορούν να παρακολουθήσουν με ακρίβεια τις μυϊκές κινήσεις.

Αυτή η μελέτη "παρέχει τα θεμέλια που πρέπει να μεταφράσουμε στη συνέχεια σε κλινικά βιώσιμες τεχνολογίες και λύσεις για όλους με ακρωτηριασμό", λέει ο Lenzi.