CAMBRIDGE, Mass. – Inženýři z Massachusettského technologického institutu loni dlouhé hodiny zkoušeli robotickou končetinu ovládanou mozkem, testovali její schopnosti na řadě pacientů a dolaďovali ji jako pit crew připravující závodní vůz na Indy 500.

Nechali pacienty protézu nohy ohýbat: špičkou nahoru, špičkou dolů. Špička dovnitř, špička ven. Vyjít po schodech nahoru a pak zase dolů. Ale právě po skončení denních pokusů, když pacient Jim Ewing seděl a povídal si s týmem, učinili nejprovokativnější zjištění:

Nebylo toho mnoho, jen sem tam se zavrtěl, ale poskytlo to pádný důkaz, že nová robotická noha se stala nedílnou součástí Ewingova těla takovým způsobem, jakého se dosud u protetické končetiny nepodařilo dosáhnout, oznámili vědci ve středu.

reklama

„Standardní amputovaná noha, když ji nosí, nic z toho nedělá,“ řekl pro STAT doktor Matthew Carty, chirurg z Brigham and Women’s Hospital a spoluautor článku. „Ale Jim, když tam s námi seděl a mluvil, vrtěl svou bionickou nohou, jako by to byla jeho biologická noha. A nepřemýšlel o tom. Byl to prostě on.“

Klíčem k tomu, aby se bionická noha podobala té biologické, bylo podle vědců spojení chirurgického pokroku s technologickým. Ewing – který si pochroumal levou nohu, když spadl asi z padesáti metrů z útesu, který zdolával na Kajmanských ostrovech – byl prvním člověkem, který podstoupil zcela nový druh amputace, jehož průkopníky byli Carty a profesor MIT Hugh Herr. Inženýři mezitím vyvinuli protézu nohy, která by umožňovala obousměrnou komunikaci, kdy by signály putovaly z Ewingova mozku do jeho zbývající dolní končetiny a do bionické končetiny a pak zase zpět.

Herr, sám horolezec, který v dospívání přišel o obě nohy kvůli omrzlinám, popisuje svůj cíl jako nic jiného než odstranění invalidity. To je ještě daleko. Výzkum však ukazuje potenciál nového systému, který by lidem s amputovanýma nohama pomohl zachytit se, když šlápnou na obrubník, který nevidí, nebo se vydat na túru přes nerovný terén, aniž by zakopli, řekl Tyler Clites, který právě získal doktorát. z programu Harvard-MIT v oblasti zdravotnických věd a technologií a byl hlavním autorem článku publikovaného v časopise Science Translational Medicine.

reklama

Ewing, v článku označovaný jako „subjekt A“, byl jediným testovaným pacientem, který nový postup podstoupil. Clites porovnal, jak si vedl s robotickou nohou, s výkony čtyř lidí, kteří podstoupili tradiční amputaci. Na rozdíl od Ewinga, který protézu popisoval jako „svou nohu“, ostatní uváděli „zřetelný nedostatek vlastnictví protézy nebo emocí spojených s jejím ovládáním,“ napsal Clites.

Ewing, 54 let, vykazoval jemnější ovládání nohy z uhlíkových vláken a kovu, která váží asi 2 kilogramy – zhruba stejně jako jeho přirozená noha. Automaticky také zvedal a spouštěl prsty při stoupání nebo sestupování ze schodů, což je reflexní chování, které bylo pozorováno u lidí s nepoškozenou nohou, ale nikdy předtím u protézy. „To je pod úrovní jeho vědomí,“ řekl Clites. „Prostě se to děje, přirozeně.“

Než však dojdeme k závěru, že nová operace je lepší než standardní amputace, musí být výsledky zopakovány ve větší klinické studii, která již probíhá.

STAT experiment sledoval posledních 15 měsíců a shromažďoval záběry pro připravovaný dokumentární film s názvem „Augmented“ o ambiciózním projektu Herra a jeho týmu, jehož cílem je vytvořit pokročilé robotické protézy, které splynou s pacientem.

Nejdůležitější je, že vědci z MIT a Brighamu dokázali Ewingovi obnovit smysl pro propriocepci, tedy schopnost poznat – aniž by se díval – kde se končetiny v prostoru nacházejí, jak rychle se pohybují a jakou silou. To je to, co vám umožňuje dotknout se prstů se zavřenýma očima nebo kalibrovat, jak silně sešlápnout plynový pedál. Stručně řečeno, „je to základ veškerého lidského pohybu,“ řekl Clites v rozhovoru.

Paul Marasco, vedoucí Laboratoře pro bionickou integraci na Clevelandské klinice, označil článek za „skvělý“ a řekl, že „propriocepce byla pro vývojáře robotických končetin opravdu tvrdým oříškem“. „Je to smysl, o kterém ani nevíme, že ho máme,“ řekl, „který považujeme za naprostou samozřejmost. Ale bez něj je funkčnost protéz opravdu omezená.“

U lidí s nepoškozenými končetinami závisí propriocepce na souhře protilehlých svalů: Když se například biceps stáhne a pohne loktem, triceps se natáhne a senzory v těchto svalech a připojených šlachách signalizují mozku, že se ruka ohnula. Tato nepřetržitá zpětná vazba umožňuje mozku jemně kontrolovat pohyb, ale při tradičním postupu amputace jsou tato spojení přerušena.

Nová „Ewingova amputace“ je obnovuje, a to sešitím dvojic svalů a šlach, které se dříve spojovaly s kotníkem a subtalárním kloubem v chodidle. Když se jeden sval stáhne, druhý se natáhne, čímž se obnoví pocit, že se kloub pohybuje. Elektrody připevněné na kůži pacienta zaznamenávají pohyby svalů v jeho zbytkové končetině a vysílají do protetické nohy signály, které způsobují, že se pohybuje tak, jak má pacient pocit, že se pohybuje.

Současně noha vysílá zpět do zbytkové končetiny elektrické impulsy o vyvíjené síle, což umožňuje pacientovi přizpůsobit, jak silně tlačí.

„Jedinečné na Jimovi oproti ostatním je to, že když Jim myslí na pohyb své fantomové končetiny, má pocit, jako by se fantomová končetina pohybovala tak, jak on chce,“ řekl Clites.

Ewing cítil tento pocit, jakmile byla robotická noha připojena a nastavena. „Hned jsem ji začal používat, jako by to byla moje vlastní noha,“ řekl pro STAT, aniž by musel přeučovat mozek, jak dosáhnout požadovaných pohybů.

„Páni, něco tam je,“ vzpomínal, jak si pomyslel. „Reaguje to. Měl jsem pocit, jako by se mi vrátila noha.“

„Nejsem člověk, který by měl sklony k dramatickým emocím,“ dodal, „ale později, když jsem jel domů, jsem opravdu cítil silné nutkání být s tím zase spojený. Jako třeba: ‚Chci to mít zase na sobě a cítit, že mám nohu zpátky.“

Ewing, inženýr z Falmouthu ve státě Maine, byl natolik soustředěný na „monumentální“ rozhodnutí, zda si vůbec nechá amputovat nohu, že podstoupení nového zákroku bylo téměř vedlejší. Nemohl si být jistý, že operace bude fungovat, že odstraní nesnesitelnou bolest, kvůli které musel brát stále větší množství prášků proti bolesti. A co když to bolest ještě zhorší?“

„Nedá se to vrátit, nedá se to nasadit zpátky,“ řekl. „To je ta děsivá část.“

Ale 19. července 2016, rok a půl po pádu, přistoupil k amputaci: „Věděl jsem, že nemohu pokračovat v životě s tím, co mám,“ řekl.

Nyní, o dva roky později, jeho bolest z velké části ustoupila, ačkoli řekl, že stále cítí „nervový šum“, „neustálé malé brnění v přízračné noze“. Nezpomaluje ho to. Od operace lyžuje a potápí se. Běhá a chodí na túry s protézou z uhlíkových vláken a téměř každý víkend chodí lézt. „Opravdu neexistuje žádná aktivita, u které bych si musel říkat: ‚Aha, to nemůžu dělat kvůli poraněné končetině‘.“

Standardní operace amputací zůstává zabředlá v 19. století:

Mezitím se protetické končetiny v posledním desetiletí výrazně zlepšily, a to především díky potřebě pomoci tisícům amerických vojáků, kteří se vrátili z válek v Afghánistánu a Iráku s roztříštěnýma nohama. Výzkum popsaný v novém dokumentu pomáhala financovat americká armáda spolu s konsorciem MIT Media Lab, společností Google a Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation, které vytvořila rodina přeživšího bombového útoku na bostonský maraton.

„Technologie dozrály do té míry, že můžeme začít vést rozhovor o tom, jak se musí změnit amputace“, aby se plně využily vlastnosti pokročilých protéz, řekl Marasco z Clevelandské kliniky. „To je opravdu vzrušující část .“

Marasco nedávno informoval o obnovení pocitu pohybu ruky u tří pacientů s amputací horní končetiny. Vibrováním svalů ve zbytkové ruce pacientů, zatímco se jejich protéza pohybovala, Marascův tým oklamal mozek, aby si myslel, že cítí pohyb ruky. Pacienti lépe ovládali svůj úchop a podobně jako Ewing uváděli, že jejich bionická končetina se více podobala jejich vlastní.

Clites uvedl, že přístup jeho týmu je jediný, který spoléhá na to, že svaly a nervy dělají to, co dělají přirozeně. (Podal žádost o patent společně s Herr a Cartym, kteří již mají na tento postup koncepční patent.)

„Všichni ostatní, kteří v této oblasti pracují, se snaží vytvořit robotický systém, který bude fungovat ve zbytkové končetině, která je upřímně řečeno zlomená,“ řekl Clites. „Místo toho se do toho pouštíme my a upravujeme fyzické tělo pacienta tak, aby bylo optimalizováno pro interakci s protetickou končetinou.“

Jedno odpoledne na začátku loňského roku, poté co sledoval, jak Ewing úspěšně stoupá do schodů pomocí robotické nohy, seděl Herr v konferenční místnosti MIT a přemýšlel o tom, co viděl. „Když navrhujeme a vyrábíme kladiva, bereme je do ruky a zatloukáme hřebíky, je to nástroj,“ řekl. „Je to oddělené od našeho těla. Je to něco, co používáme. Ale není to nedílná součást nás samých. Nyní vstupujeme do nové éry interakce člověka a technologie.“

Řekl, že touží po tomto pocitu vlastnictví, po tom, čemu říká „ztělesnění“, a přiznal, že se cítí „zelený závistí“ vůči Ewingovi. „Ale ten čas přijde,“ dodal.

V loňském roce ostatně Herrova laboratoř publikovala článek popisující, jak by se nový přístup k amputaci mohl uplatnit u lidí, jako je Herr, kteří již standardní zákrok podstoupili.

Carty již plánuje začít provádět nadkolenní verzi Ewingovy amputace, přičemž první pacient má být operován v červnu a další dva pravděpodobně na podzim.

Tito pacienti budou součástí probíhající větší klinické studie, která je financována 3 miliony dolarů od ministerstva obrany. Studie bude nakonec zahrnovat 16 až 20 pacientů, uvedl Carty. Měla trvat čtyři roky, ale nábor probíhal mnohem rychleji, než se předpokládalo, a to díky ústnímu podání. Carty zatím provedl devět amputací.

Před dvěma lety kulhal Ewing do nemocnice Brigham and Women’s Faulkner Hospital na první amputaci. Začátkem tohoto měsíce se vrátil, tentokrát sebejistě kráčel po chodbě na bionické noze, jejíž malý elektromotor při každém kroku zavířil. Přišel navštívit dvacetiletou ženu, která se chystala podstoupit amputační zákrok nesoucí jeho jméno.

Když zahnul za roh do předoperačního prostoru, pacientka č. 9 už netrpělivě čekala. „Ahoj, Jime,“ řekla.

„Slyšela jsi moje části,“ zeptal se.

Poté se objali.

„Ahoj, Jime,“ řekla.