CAMBRIDGE, Mass. – Viime vuonna Massachusetts Institute of Technologyn insinöörit testasivat tuntikausia aivo-ohjattua robottiraajaa, testasivat sen ominaisuuksia useilla potilailla ja hienosäätivät sitä kuin varikkohenkilökunta, joka valmistelee kilpa-autoa Indy 500 -kilpailuun.

Potilaat taivuttelivat proteesijalkaa: varpaat ylös, varpaat alas. Varpaat sisään, varpaat ulos. Kävellään portaita ylös ja sitten takaisin alas. Mutta vasta päivän kokeiden jälkeen, kun potilas Jim Ewing istui ja jutteli tiimin kanssa, he tekivät provosoivimman havainnon:

Se ei ollut paljon, vain heiluttelua silloin tällöin, mutta se antoi vahvan todisteen siitä, että uudesta robottijalasta oli tullut saumaton osa Ewingin kehoa tavalla, jota ei ole koskaan aiemmin saavutettu proteesin avulla, tutkijat raportoivat keskiviikkona.

mainos

”Tavallinen amputoitu jalka ei tee mitään tuollaista, kun hän käyttää jalkaansa”, tohtori Matthew Carty, Brigham and Women’s Hospitalin kirurgi ja artikkelin toinen kirjoittaja, kertoi STAT-sivustolle. ”Mutta kun Jim istui ja puhui meille, hän heilutti bionista jalkaansa kuin se olisi hänen biologinen jalkansa. Eikä hän ajatellut sitä. Hän vain oli oma itsensä.”

Valintana bionisen jalkaterän saattamisessa biologisen jalkaterän kaltaiseksi oli kirurgisen edistysaskeleen ja teknologisen edistysaskeleen yhteensovittaminen, kertovat tutkijat. Ewing – joka murskasi vasemman jalkansa pudotessaan noin 15 metriä Caymansaarilla kiipeilemältään jyrkänteeltä – oli ensimmäinen henkilö, jolle tehtiin täysin uudenlainen amputaatio, jonka uranuurtajina olivat Carty ja MIT:n professori Hugh Herr. Insinöörit puolestaan kehittivät jalkaproteesin, joka mahdollistaisi kaksisuuntaisen kommunikoinnin, jossa signaalit kulkisivat Ewingin aivoista hänen jäljellä olevaan sääriinsä ja bioniseen raajaan ja sitten takaisin.

Herr, joka on itse kalliokiipeilijä, joka menetti molemmat jalkansa paleltumalle teini-ikäisenä, kuvailee tavoitettaan vammaisuuden poistamiseksi. Siihen on vielä matkaa. Tutkimus osoittaa kuitenkin, että uusi järjestelmä voi auttaa amputoidun jalan omaavia ihmisiä saamaan itsensä kiinni, kun he astuvat reunakiviltä, joita he eivät näe, tai vaeltamaan epätasaisessa maastossa kompastumatta, sanoo Tyler Clites, joka on juuri väitellyt tohtoriksi. Harvard-MIT:n terveystieteiden ja -teknologian ohjelmasta ja oli Science Translational Medicine -lehdessä julkaistun artikkelin pääkirjoittaja.

mainos

Ewing, johon artikkelissa viitataan nimellä ”Kohde A”, oli ainoa testattu potilas, jolle tehtiin uusi toimenpide. Clites vertasi, miten hän pärjäsi robottijalan kanssa, neljän perinteisesti amputoidun henkilön suoritukseen. Toisin kuin Ewing, joka kuvaili proteesia ”jalakseen”, muut raportoivat ”selvästä proteesin omistajuuden tai sen hallintaan liittyvien tunteiden puutteesta”, Clites kirjoitti.

Ewing, 54, hallitsi hienovaraisemmin hiilikuitu-metallijalkaa, joka painaa noin kaksi kiloa – suunnilleen saman verran kuin hänen luonnollinen jalkansa. Hän myös automaattisesti nosti ja laski varpaitaan noustessaan tai laskeutuessaan portaita, mikä on refleksiivistä käyttäytymistä, jota on nähty ihmisillä, joilla on ehjä jalka, mutta ei koskaan aiemmin proteesin kanssa. ”Tämä on hänen tietoisuutensa tason alapuolella”, Clites sanoi. ”Se vain tapahtuu, luonnollisesti.”

Ennen kuin voidaan tehdä johtopäätöksiä siitä, että uusi leikkaus on parempi kuin tavanomainen amputaatio, havainnot on kuitenkin toistettava suuremmassa kliinisessä tutkimuksessa, joka on jo käynnissä.

STAT on seurannut koetta viimeiset 15 kuukautta ja kerännyt kuvamateriaalia tulevaa ”Augmented” -nimistä dokumenttielokuvaa varten, joka kertoo Herrin ja hänen tiiminsä kunnianhimoisesta hankkeesta, jonka tavoitteena on luoda kehittyneitä robottiproteeseja, jotka sulautuvat yhteen potilaiden kanssa.

Kärjimmän ratkaisevan tärkeää on, että MIT:n ja Brighamin tutkijat kykenivät palauttamaan Ewingille proprioseptiikan, eli kyvyn tietää katsomatta, missä päin avaruutta raajasi ovat, kuinka nopeasti ne liikkuvat ja millä voimalla. Sen avulla voit koskettaa sormiasi yhteen silmät kiinni tai kalibroida, kuinka voimakkaasti painat kaasupoljinta. Lyhyesti sanottuna ”se on perustavanlaatuista kaikelle inhimilliselle liikkeelle”, Clites sanoi haastattelussa.

Paul Marasco, Cleveland Clinicin bionisen integraation laboratorion johtaja, kutsui artikkelia ”hienoksi” ja sanoi, että ”proprioseptiikka on ollut todella kova pähkinä purtavaksi” robottiraajojen kehittäjille. ”Kyse on aistista, jonka olemassaolosta emme edes tiedä”, hän sanoi, ”ja jota pidämme täysin itsestäänselvyytenä. Mutta ilman sitä proteesien toimivuus todella heikkenee.”

Ihmisillä, joilla on ehjät raajat, proprioseptiikka riippuu vastakkaisten lihasten välisestä vuorovaikutuksesta: Kun esimerkiksi hauislihas supistuu ja liikuttaa kyynärpäätä, hauislihas venyy, ja näiden lihasten ja niihin kiinnittyneiden jänteiden anturit ilmoittavat aivoille, että käsi on taipunut. Tämän jatkuvan palautteen avulla aivot voivat hienosäätää liikettä, mutta perinteisessä amputaatiomenetelmässä nämä yhteydet katkaistaan.

Uudessa ”Ewing-amputaatiossa” nämä yhteydet luodaan uudelleen ompelemalla yhteen parit lihaksia ja jänteitä, jotka ennen liittyivät nilkkaan ja jalkaterän subtalaariniveleen. Kun yksi lihas supistuu, toinen venyy ja palauttaa tunteen, että nivel liikkuu. Potilaan ihoon kiinnitetyt elektrodit rekisteröivät lihasliikkeet hänen jäännösraajassaan ja lähettävät proteesijalkaan signaaleja, jotka saavat sen liikkumaan niin kuin hän tuntee sen liikkuvan.

Jalka lähettää samalla jäännösraajalle takaisin sähköisiä impulsseja käytetystä voimasta, minkä ansiosta potilas pystyy säätelemään, kuinka kovaa hän painaa.

”Se, mikä on ainutlaatuista Jimissä verrattuna muihin, on se, että kun Jim ajattelee liikuttavansa fantomiraajaansa, hän tuntee, että fantomiraaja liikkuu niin kuin hän haluaa sen liikkuvan”, Clites sanoo.

Ewing pystyi tuntemaan tunteen heti, kun robottijalka oli kiinnitetty ja viritetty. ”Aloin heti käyttää sitä ikään kuin se olisi oma jalkani”, hän kertoi STAT:lle ilman, että hänen olisi tarvinnut opetella aivojaan uudelleen, miten saada halutut liikkeet aikaan.

”Vau, siinä on jotain”, hän muisteli ajatelleensa. ”Se reagoi. Tuntui ikään kuin jalkani olisi palannut.”

”En ole ihminen, joka on taipuvainen dramaattisiin tunteisiin”, hän lisäsi, ”mutta myöhemmin kotiin ajaessani tunsin todella voimakkaan halun olla taas yhteydessä siihen. Kuin: ’Haluan pitää tuon vehkeen taas päällä ja tuntea, että minulla on jalka takaisin.'”

Ewing, insinööri Falmouthista, Mainen osavaltiosta, oli niin keskittynyt ”monumentaaliseen” päätökseen siitä, amputoidaanko hänen jalkansa ylipäätään, että uudenlaisen toimenpiteen läpikäyminen jäi melkein jälkikäteen. Hän ei voinut olla varma, että leikkaus onnistuisi ja että se poistaisi sietämättömän kivun, joka sai hänet ottamaan yhä enemmän kipulääkkeitä. Entä jos se pahentaisi kipua entisestään?

”Se ei ole palautettavissa, sitä ei voi laittaa takaisin”, hän sanoi. ”Se on pelottavaa.”

Mutta 19. heinäkuuta 2016, puolitoista vuotta kaatumisensa jälkeen, hän ryhtyi amputointiin: ”Tiesin, etten voisi jatkaa elämää sillä, mitä minulla oli”, hän sanoi.

Nyt kaksi vuotta myöhemmin hänen kipunsa on suurelta osin laantunut, vaikka hän sanoi tuntevansa edelleen ”hermokohinaa”, ”jatkuvaa pientä kihelmöintiä kummitusjalassa”. Se ei hidasta häntä. Leikkauksen jälkeen hän on hiihtänyt ja sukeltanut. Hän juoksee ja patikoi hiilikuituproteesin kanssa, ja lähes joka viikonloppu hän käy kiipeilemässä. ”Ei ole oikeastaan mitään aktiviteettia, johon minun pitäisi sanoa: ’Voi, en voi tehdä sitä loukkaantuneen raajani takia.'”

Tavallinen amputaatioleikkaus on jäänyt 1800-luvulle: Se ei ole juurikaan muuttunut sisällissodan ajoista, jolloin anestesia oli vielä alkeellista ja tärkeintä oli nopeus ja potilaiden elossa pitäminen.

Proteesit ovat kuitenkin parantuneet dramaattisesti viimeisen vuosikymmenen aikana, mikä johtuu suurelta osin tarpeesta auttaa tuhansia amerikkalaisia varusmiehiä, jotka ovat palanneet Afganistanin ja Irakin sodista murskaantuneine jalkoineen. Yhdysvaltain armeija auttoi rahoittamaan uudessa artikkelissa kuvattua tutkimusta yhdessä MIT Media Lab -konsortioiden, Googlen ja Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovationin kanssa, jonka perusti Bostonin maratonpommi-iskusta selvinneen perheenjäsen.

”Teknologiat ovat kehittyneet siihen pisteeseen, että voimme aloittaa keskustelun siitä, miten amputaatioita on muutettava”, jotta voimme hyödyntää täysimittaisesti kehittyneiden proteesien ominaisuuksia, sanoi Cleveland Clinicin Marasco. ”Se on todella jännittävä osa tätä.”

Marasco raportoi hiljattain käden liikkeen tuntemuksen palauttamisesta kolmelle potilaalle, joilla on yläraaja-amputaatio. Värähtelemällä potilaiden jäännöskäsivarren lihaksia samalla, kun heidän proteesikätensä liikkui, Marascon työryhmä huijasi aivoja luulemaan, että ne tunsivat käden liikkuvan. Potilaat pystyivät paremmin hallitsemaan otettaan, ja Ewingin tavoin he kertoivat, että heidän bioninen raajansa tuntui enemmän heidän omalta raajaltaan.

Clites sanoi, että hänen ryhmänsä lähestymistapa on ainoa, joka perustuu siihen, että lihakset ja hermot tekevät sitä, mitä ne tekevät luonnostaan. (Hän on hakenut patenttia yhdessä Herrin ja Cartyn kanssa, joilla on jo konseptipatentti menettelystä.)

”Kaikki muut, jotka työskentelevät tällä alalla, yrittävät rakentaa robottijärjestelmän, joka toimii jäännösraajassa, joka on suoraan sanottuna rikki”, Clites sanoi. ”Sen sijaan me menemme sisään ja muokkaamme potilaan fyysistä kehoa niin, että se on optimoitu vuorovaikutukseen proteesin kanssa.”

Yksi iltapäiväksi viime vuoden alussa, nähtyään Ewingin kiipeävän menestyksekkäästi portaita robottijalalla, Herr istui MIT:n kokoushuoneessa ja pohti näkemäänsä. ”Kun suunnittelemme ja rakennamme vasaroita ja otamme ne käteemme ja iskemme nauloja, se on työkalu”, Herr sanoi. ”Se on erillään kehostamme. Se on jotain, jota käytämme. Mutta se ei ole olennainen osa itseämme. Olemme siirtymässä ihmisen ja teknologian vuorovaikutuksen uuteen aikakauteen.”

Hän sanoi kaipaavansa tuota omistajuuden tunnetta, jota hän kutsuu ”ruumiillisuudeksi”, ja hän myönsi tuntevansa ”vihreää kateutta” Ewingin puolesta. ”Mutta aika tulee vielä”, hän lisäsi.

Viime vuonna Herrin laboratorio julkaisi artikkelin, jossa kuvattiin, miten uutta lähestymistapaa amputaatioon voitaisiin soveltaa Herrin kaltaisiin ihmisiin, jotka ovat jo käyneet läpi tavanomaisen toimenpiteen.

Carty suunnittelee jo aloittavansa Ewing-amputaation polven yläpuolisen version suorittamisen, ja ensimmäinen potilas on tarkoitus leikata kesäkuussa ja kaksi muuta todennäköisesti syksyllä.

Nämä potilaat ovat osa meneillään olevaa laajempaa kliinistä koetta, jota rahoitetaan puolustusministeriön kolmella miljoonalla dollarilla. Tutkimukseen osallistuu lopulta 16-20 potilasta, Carty sanoi. Sen piti kestää neljä vuotta, mutta rekrytointi on suusanallisuuden ansiosta edennyt paljon ennakoitua nopeammin. Carty on tähän mennessä tehnyt yhdeksän amputointia.

Kaksi vuotta sitten Ewing ontui Brigham and Womenin Faulknerin sairaalaan ensimmäiseen amputointiin. Aiemmin tässä kuussa hän palasi takaisin, ja tällä kertaa hän asteli itsevarmasti käytävää pitkin bionisella jalalla, jonka pieni sähkömoottori surisi joka askeleella. Hän oli siellä vierailemassa 20-vuotiaan naisen luona, jolle aiottiin tehdä hänen nimeään kantava amputointitoimenpide.

Kun hän kääntyi leikkausta edeltävälle alueelle, potilas nro 9 odotti innokkaasti. ”Hei, Jim”, nainen sanoi.

”Kuulitko osani”, hän kysyi.

Silloin he halasivat toisiaan.