CAMBRIDGE, Mass. – I timevis sidste år kørte ingeniører fra Massachusetts Institute of Technology den hjernestyrede robotfod gennem sine prøvelser, testede dens evner på en række patienter og finjusterede den som et pit crew, der forbereder en racerbil til Indy 500.

De fik patienterne til at bøje den protesefod: tå op, tå ned. Tåen ind, tåen ud. Gå op ad en trappe og så ned igen. Men det var efter dagens eksperimenter, da patienten Jim Ewing sad og sludrede med holdet, at de gjorde deres mest provokerende iagttagelse:

Det var ikke meget, bare en vrikning i ny og næ, men det var et stærkt bevis på, at den nye robotfod var blevet en sømløs del af Ewings krop på en måde, som aldrig tidligere er blevet opnået med en protese, rapporterede forskerne onsdag.

reklame

“En standardamputeret, når de bærer deres ben, gør ikke noget af det,” sagde Dr. Matthew Carty, en kirurg fra Brigham and Women’s Hospital og medforfatter til artiklen, til STAT. “Men Jim, da han sad der og talte med os, rykkede sin bioniske fod, som om det var hans biologiske fod. Og han tænkte ikke over det. Det var bare ham, der var ham.”

Nøglen til at gøre den bioniske som den biologiske var at kombinere et kirurgisk fremskridt med et teknologisk, siger forskerne. Ewing – der beskadigede sin venstre fod, da han faldt omkring 15 meter ned fra en klippe, han var ved at bestige på Caymanøerne – var den første person, der blev underkastet en helt ny form for amputation, som Carty og MIT-professor Hugh Herr var pionerer på. Ingeniørerne har i mellemtiden udviklet en fodprotese, der muliggør tovejskommunikation, hvor signalerne går fra Ewings hjerne til hans resterende underben og ind i det bioniske ben og så tilbage igen.

Herr, der selv er bjergbestiger og mistede begge ben på grund af forfrysninger som teenager, beskriver sit mål som intet mindre end at eliminere handicaps. Det er stadig et stykke hen ad vejen. Men forskningen viser potentialet i det nye system til at hjælpe folk med amputerede ben med at gribe sig selv, når de træder ud over kantsten, som de ikke kan se, eller vandre over ujævnt terræn uden at snuble, siger Tyler Clites, der netop har opnået sin ph.d. fra Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology og var hovedforfatter på artiklen, der er offentliggjort i Science Translational Medicine.

annonce

Ewing, der i artiklen omtales som “Subject A”, var den eneste patient, der blev testet, og som gennemgik den nye procedure. Clites sammenlignede, hvordan han klarede sig med robotfoden, med præstationen hos fire personer, der havde fået foretaget traditionelle amputationer. I modsætning til Ewing, der beskrev protesen som “sit ben”, rapporterede de andre om “en klar mangel på ejerskab af protesen eller følelser forbundet med at kontrollere den”, skrev Clites.

Ewing, 54, udviste en mere subtil kontrol over kulfiber- og metalfoden, der vejer omkring 2 kg – omtrent det samme som hans naturlige fod gjorde. Han løftede og sænkede også automatisk tæerne, mens han gik op eller ned ad trapper, en refleksmæssig adfærd, der er set hos mennesker med intakte ben, men aldrig før med en protesen. “Dette er under hans bevidsthedsniveau,” sagde Clites. “Det sker bare naturligt.”

Hvor man kan konkludere, at den nye operation er bedre end en standardamputation, skal resultaterne imidlertid gentages i et større klinisk forsøg, som allerede er i gang.

STAT har fulgt forsøget i de sidste 15 måneder og indsamlet optagelser til en kommende dokumentarfilm, kaldet “Augmented”, om Herr og hans teams ambitiøse projekt om at skabe avancerede robotproteser, der bliver ét med patienterne.

Det mest afgørende er, at MIT- og Brigham-forskerne var i stand til at genskabe Ewings proprioceptionssans, dvs. evnen til at vide – uden at se efter – hvor ens lemmer befinder sig i rummet, hvor hurtigt de bevæger sig og med hvilken kraft. Det er det, der gør det muligt for dig at røre dine fingre sammen med lukkede øjne eller at kalibrere, hvor hårdt du skal trykke på speederen. Kort sagt, “det er grundlæggende for al menneskelig bevægelse”, sagde Clites i et interview.

Paul Marasco, leder af Laboratory for Bionic Integration på Cleveland Clinic, kaldte artiklen “cool” og sagde, at “proprioception har været en virkelig hård nød at knække” for udviklere af robotlemmer. “Det er en fornemmelse, som vi ikke engang ved, at vi har,” sagde han, “som vi tager helt for givet. Men uden den er funktionaliteten af proteser virkelig reduceret.”

I mennesker med intakte lemmer afhænger proprioception af samspillet mellem modsatrettede muskler: Når din biceps trækker sig sammen og bevæger din albue, strækker triceps sig f.eks., og sensorer i disse muskler og de tilknyttede sener signalerer til din hjerne, at din arm er bøjet. Denne kontinuerlige feedback gør det muligt for hjernen at kontrollere bevægelsen fint, men ved den traditionelle amputationsprocedure bliver disse forbindelser afbrudt.

Den nye “Ewing-amputation” genskaber dem ved at sy parvis af muskler og sener sammen, som tidligere var forbundet med anklen og det subtalare led i foden. Når den ene muskel trækker sig sammen, strækker den anden sig og genopretter følelsen af, at leddet bevæger sig. Elektroder, der er fastgjort til patientens hud, registrerer muskelbevægelserne i restleddet og sender signaler til fodprotesen, som får den til at bevæge sig på samme måde, som han føler, at den bevæger sig.

På samme tid sender foden elektriske impulser tilbage til restleddet om den kraft, der udøves, så patienten kan justere, hvor hårdt han presser.

“Det unikke ved Jim i forhold til andre er, at når Jim tænker på at bevæge sit fantomled, føler han, at fantomleddet bevæger sig på den måde, som han ønsker,” sagde Clites.

Ewing kunne mærke fornemmelsen, så snart robotfoden var fastgjort og indstillet. “Jeg begyndte med det samme at bruge den, som om det var min egen fod,” fortalte han til STAT, uden at skulle omskole sin hjerne til at få de ønskede bevægelser.

“Åh, wow, der er noget der,” husker han, at han tænkte. “Det reagerer. Det føltes lidt som om, at min fod var vendt tilbage.”

“Jeg er ikke en person, der virkelig er tilbøjelig til at have dramatiske følelser,” tilføjede han, “men senere, da jeg kørte hjem, følte jeg virkelig en stærk trang til at være forbundet med den igen. Ligesom: ‘Jeg vil have den tingest på igen og føle, at jeg har min fod tilbage’.”

Ewing, en ingeniør fra Falmouth, Maine, var så fokuseret på den “monumentale” beslutning om, hvorvidt han overhovedet skulle have sit ben amputeret, at det næsten var en eftertanke at gennemgå den nye procedure. Han kunne ikke være sikker på, at operationen ville virke, at den ville fjerne de ulidelige smerter, der fik ham til at tage stadig større mængder smertestillende piller. Og hvad nu, hvis det gjorde smerterne endnu værre?

“Det er ikke reversibelt, man kan ikke sætte det på igen,” sagde han. “Det er den skræmmende del.”

Men den 19. juli 2016, halvandet år efter sit fald, gik han videre med amputationen: “Jeg vidste, at jeg ikke kunne fortsætte livet med det, jeg havde,” sagde han.

Nu to år senere er hans smerter stort set aftaget, selv om han sagde, at han stadig føler “nervestøj”, en “konstant lille smule prikken i spøgelsesfoden”. Det bremser ham ikke. Siden operationen har han stået på ski og dykket. Han løber og vandrer med en kulfiberprotese, og stort set hver weekend går han på klatring. “Der er virkelig ikke nogen aktivitet, hvor jeg er nødt til at sige: ‘Åh, det kan jeg ikke gøre på grund af mit skadede lem’.”

Standardamputationskirurgien er stadigvæk fastlåst i det 19. århundrede: Den har ikke ændret sig meget siden borgerkrigens dage, hvor bedøvelse stadig var rudimentær, og hvor det vigtigste var hurtighed og at holde patienterne i live.

I mellemtiden er proteser blevet forbedret dramatisk i det sidste årti eller deromkring, hvilket i høj grad skyldes behovet for at hjælpe de tusindvis af amerikanske soldater, der er vendt tilbage fra krigene i Afghanistan og Irak med ødelagte ben. Den amerikanske hær hjalp med at finansiere den forskning, der er beskrevet i det nye papir, sammen med MIT Media Lab Consortia, Google og Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation, som blev oprettet af familien til en overlevende fra Boston Marathon bombning.

“Teknologierne er modnet til det punkt, hvor vi kan begynde at have samtalen om, hvordan amputationer skal ændres” for at drage fuld fordel af funktionerne i avancerede proteser, sagde Cleveland Clinic’s Marasco. “Det er en virkelig spændende del af dette.”

Marasco rapporterede for nylig om genoprettelse af fornemmelsen af håndbevægelser hos tre patienter med amputationer af øvre lemmer. Ved at vibrere musklerne i patienternes resterende arm, mens deres håndprotese bevægede sig, narrede Marascos team hjernen til at tro, at den følte, at hånden bevægede sig. Patienterne havde bedre kontrol over deres greb og rapporterede i lighed med Ewing, at deres bioniske lem føltes mere som deres egen.

Clites sagde, at hans teams tilgang er den eneste, der er afhængig af, at muskler og nerver gør, hvad de gør naturligt. (Han har indgivet patentansøgning sammen med Herr og Carty, som allerede har et konceptuelt patent på proceduren.)

“Alle andre, der arbejder inden for dette område, forsøger at opbygge et robotsystem, der vil fungere i en restled, som ærligt talt er ødelagt,” sagde Clites. “I stedet for at gøre det, går vi ind og ombygger patientens fysiske krop, så den er optimeret til at interagere med protesen.”

En eftermiddag i begyndelsen af sidste år, efter at have set Ewing kravle op ad trapper med robotbenet, sad Herr i et MIT-konferencerum og reflekterede over, hvad han havde set. “Når vi designer og bygger hammere, og vi tager dem op og slår søm i dem, er det et værktøj,” sagde han. “Det er adskilt fra vores kroppe. Det er noget, vi bruger. Men det er ikke en integreret del af os selv. Vi går nu ind i en ny æra af interaktion mellem menneske og teknologi.”

Han sagde, at han længes efter denne følelse af ejerskab, det han kalder “legemliggørelse”, og han indrømmede, at han følte sig “grøn af misundelse” på Ewing. “Men tiden vil komme,” tilføjede han.”

Sidste år offentliggjorde Herrs laboratorium nemlig et dokument, der beskriver, hvordan den nye tilgang til amputation kan anvendes på mennesker som Herr, der allerede har gennemgået standardproceduren.

Carty planlægger allerede at begynde at udføre en version af Ewing-amputationen over knæet, med den første patient planlagt til operation i juni og to andre sandsynligvis i efteråret.

Disse patienter vil indgå i det igangværende større kliniske forsøg, som finansieres med 3 millioner dollars fra forsvarsministeriet. Forsøget vil i sidste ende omfatte 16 til 20 patienter, sagde Carty. Det var meningen, at det skulle tage fire år, men rekrutteringen er gået meget hurtigere end forventet, drevet af mund til mund-omtale. Carty har indtil videre foretaget ni af amputationerne.

For to år siden humpede Ewing ind på Brigham and Women’s Faulkner Hospital til den første amputation. Tidligere på måneden vendte han tilbage, denne gang med et bionisk ben, hvis lille elmotor susede ved hvert skridt, og han gik selvsikkert ned ad gangen. Han var der for at besøge en 20-årig kvinde, som skulle gennemgå den amputationsprocedure, der bærer hans navn.

Da han drejede om hjørnet ind i det præoperative område, ventede patient nr. 9 spændt. “Hej, Jim,” sagde hun.

“Hørte du mine dele,” spurgte han.

Så omfavnede de hinanden.