CAMBRIDGE, Mass. – Urenlang hebben technici van het Massachusetts Institute of Technology vorig jaar de hersengestuurde robotarm aan de tand gevoeld. Ze testten de mogelijkheden op een reeks patiënten en stelden hem af als een pitcrew die een raceauto voorbereidt op de Indy 500.

Ze lieten patiënten de prothesevoet buigen: teen omhoog, teen omlaag. Tenen naar binnen, tenen naar buiten. Een trap oplopen, en dan weer naar beneden. Maar het was na de experimenten van de dag, toen patiënt Jim Ewing zat en met het team praatte, dat ze hun meest provocerende observatie maakten: Hij friemelde, draaide de gemotoriseerde enkel, onbewust.

Het was niet veel, slechts een wiebel af en toe, maar het leverde krachtig bewijs dat de nieuwe robotvoet een naadloos onderdeel van Ewing’s lichaam was geworden op een manier die nog nooit eerder is bereikt met een prothese ledemaat, meldden de wetenschappers woensdag.

advertentie

“Een standaard geamputeerde, wanneer ze hun been dragen, doet niets van dat alles,” vertelde Dr. Matthew Carty, een chirurg van het Brigham and Women’s Hospital en co-auteur van het papier, aan STAT. “Maar Jim, toen hij daar met ons zat te praten, was aan het friemelen met zijn bionische voet alsof het zijn biologische voet was. En hij dacht er niet over na. Het was gewoon hij die hem was.”

De sleutel tot het maken van de bionische zoals de biologische was het combineren van een chirurgische vooruitgang met een technologische, zeggen de onderzoekers. Ewing – die zijn linkervoet verbrijzeld toen hij ongeveer 50 meter viel van een klif hij was scaling op de Kaaimaneilanden – was de eerste persoon die een geheel nieuwe vorm van amputatie, gepionierd door Carty en MIT-professor Hugh Herr ondergaan. De ingenieurs, ondertussen, ontwikkelde een prothese voet die in staat zou stellen twee-weg communicatie, met signalen reizen van Ewing’s hersenen naar zijn resterende onderbeen en in de bionische ledemaat, en dan weer terug.

Herr, zelf een rock klimmer die zijn beide benen verloren aan bevriezing als een tiener, beschrijft zijn doel als niets minder dan het elimineren van handicap. Dat is nog ver weg. Maar het onderzoek toont het potentieel aan van het nieuwe systeem om mensen met geamputeerde benen te helpen zichzelf op te vangen als ze van stoepranden stappen die ze niet zien, of over oneffen terrein te wandelen zonder te struikelen, zei Tyler Clites, die net zijn Ph.D. van het Harvard-MIT-programma in gezondheidswetenschappen en technologie en hoofdauteur was van de paper gepubliceerd in Science Translational Medicine.

advertisement

Ewing, aangeduid als “Subject A” in de paper, was de enige geteste patiënt die de nieuwe procedure onderging. Clites vergeleek hoe hij het deed met de robotvoet met de prestaties van vier mensen die traditionele amputaties hadden ondergaan. In tegenstelling tot Ewing, die de prothese beschreef als “zijn been,” de anderen meldden “een duidelijk gebrek aan eigendom van de prothese, of emotie geassocieerd met het controleren van het,” schreef Clites.

Ewing, 54, vertoonde meer subtiele controle over de koolstofvezel-en-metalen voet, die ongeveer 2 kilogram weegt – ongeveer hetzelfde als zijn natuurlijke voet deed. Hij bracht ook automatisch zijn tenen omhoog en omlaag tijdens het beklimmen of afdalen van trappen, een reflexief gedrag dat wordt gezien bij mensen met intacte benen, maar nooit eerder met een prothese. “Dit is onder het niveau van zijn bewustzijn,” zei Clites. “Het gebeurt gewoon, natuurlijk.”

Voordat echter geconcludeerd kan worden dat de nieuwe operatie superieur is aan de standaard amputatie, moeten de bevindingen worden gerepliceerd in een groter klinisch onderzoek, dat al aan de gang is.

STAT heeft het experiment de afgelopen 15 maanden gevolgd en beelden verzameld voor een aankomende documentaire, genaamd “Augmented”, over het ambitieuze project van Herr en zijn team om geavanceerde robotprotheses te maken die één worden met patiënten.

Het meest cruciale is dat de MIT- en Brigham-onderzoekers in staat waren om Ewing’s gevoel voor proprioceptie te herstellen, het vermogen om te weten – zonder te kijken – waar je ledematen zich in de ruimte bevinden, hoe snel ze bewegen, en met welke kracht. Dat stelt je in staat om je vingers met gesloten ogen tegen elkaar aan te tikken, of om te bepalen hoe hard je op het gaspedaal moet drukken. Kortom, “het is fundamenteel voor alle menselijke beweging,” zei Clites in een interview.

Paul Marasco, hoofd van het Laboratorium voor Bionische Integratie aan de Cleveland Clinic, noemde het artikel “cool,” zeggende “proprioceptie is een echt harde noot om te kraken” voor ontwikkelaars van robotledematen. “Het is een gevoel waarvan we niet eens weten dat we het hebben,” zei hij, “dat we volledig als vanzelfsprekend beschouwen. Maar zonder dat wordt de functionaliteit van protheses echt beperkt.”

Bij mensen met intacte ledematen hangt proprioceptie af van de wisselwerking tussen tegenover elkaar liggende spieren: Wanneer uw biceps samentrekt en uw elleboog beweegt, bijvoorbeeld, strekt de triceps zich uit, en sensoren in die spieren en aanhangende pezen signaleren uw hersenen dat uw arm is gebogen. Deze voortdurende feedback stelt de hersenen in staat de beweging nauwkeurig te controleren, maar bij de traditionele amputatieprocedure worden deze verbindingen verbroken.

De nieuwe “Ewing-amputatie” herschept ze, door paren spieren en pezen aan elkaar te naaien die vroeger verbonden waren met de enkel en het subtalaire gewricht in de voet. Wanneer één spier samentrekt, rekt de andere uit, waardoor het gevoel dat het gewricht beweegt wordt hersteld. Op de huid van de patiënt aangebrachte elektroden registreren de spierbewegingen in zijn restledemaat en sturen signalen naar de prothesevoet die ervoor zorgen dat deze beweegt zoals hij voelt.

Tegelijkertijd stuurt de voet elektrische impulsen terug naar het restledemaat over de kracht die wordt uitgeoefend, zodat de patiënt kan aanpassen hoe hard hij duwt.

“Wat uniek is aan Jim ten opzichte van anderen, is dat wanneer Jim denkt aan het bewegen van zijn fantoomledemaat, hij het gevoel heeft dat het fantoomledemaat beweegt zoals hij wil dat het beweegt,” zei Clites.

Ewing kon de sensatie voelen zodra de robotvoet was bevestigd en afgesteld. “Ik begon het meteen te gebruiken alsof het mijn eigen voet was,” vertelde hij STAT, zonder dat hij zijn hersenen opnieuw hoefde te trainen hoe hij de gewenste bewegingen kon krijgen.

“Oh, wow, er is daar iets,” herinnerde hij zich denkend. “Het reageert. Het voelde een beetje alsof mijn voet was teruggekeerd.”

“Ik ben niet iemand die echt vatbaar is voor dramatische emoties,” voegde hij eraan toe, “maar later toen ik naar huis reed, voelde ik echt een sterke drang om er weer mee verbonden te zijn. Zo van: ‘Ik wil dat ding weer aan hebben en het gevoel hebben dat ik mijn voet weer terug heb.'”

Ewing, een ingenieur uit Falmouth, Maine, was zo gefocust op de “monumentale” beslissing om zijn been al dan niet te laten amputeren dat het ondergaan van de nieuwe ingreep bijna een bijzaak was. Hij wist niet zeker of de operatie zou werken, of de ondraaglijke pijn zou verdwijnen, waardoor hij steeds meer pijnstillers moest slikken. En wat als het de pijn nog erger zou maken?

“Het is niet omkeerbaar, je kunt het er niet weer op zetten,” zei hij. “Dat is het enge deel.”

Maar op 19 juli 2016, anderhalf jaar na zijn val, ging hij door met de amputatie: “Ik wist dat ik niet verder door het leven kon met wat ik had,” zei hij.

Nu twee jaar later, is zijn pijn grotendeels afgenomen, hoewel hij zei dat hij nog steeds “zenuwruis” voelt, een “constant klein beetje tintelingen in de spookvoet.” Het remt hem niet af. Sinds de operatie gaat hij skiën en diepzeeduiken. Hij loopt en wandelt met een koolstofvezel prothese, en bijna elk weekend gaat hij klimmen. “Er is echt geen activiteit waarvan ik moet zeggen: ‘Oh, dat kan ik niet doen vanwege mijn gewonde ledemaat’.”

De standaard amputatie-operatie blijft vastgeroest in de 19e eeuw: Het is niet veel veranderd sinds de dagen van de Burgeroorlog, toen anesthesie nog rudimentair was en wat het belangrijkste was, was snelheid en patiënten in leven houden.

Ondertussen zijn prothetische ledematen de afgelopen tien jaar of zo dramatisch verbeterd, grotendeels gedreven door de noodzaak om de duizenden Amerikaanse dienstleden te helpen die zijn teruggekeerd uit de oorlogen in Afghanistan en Irak met verbrijzelde benen. Het Amerikaanse leger hielp het onderzoek te financieren dat in de nieuwe paper wordt beschreven, samen met het MIT Media Lab Consortia, Google, en het Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation, dat werd opgericht door de familie van een overlevende van een Boston Marathon-bomaanslag.

“De technologieën zijn gerijpt tot het punt waarop we het gesprek kunnen beginnen over hoe amputaties moeten veranderen” om ten volle te profiteren van de functies van geavanceerde protheses, zei Marasco van de Cleveland Clinic. “

Marasco meldde onlangs het herstel van het gevoel van handbeweging bij drie patiënten met amputaties van de bovenste ledematen. Door spieren in de overgebleven arm van de patiënten te laten trillen terwijl hun prothesehand bewoog, liet het team van Marasco de hersenen denken dat ze de hand voelden bewegen. Patiënten hadden een betere controle over hun greep, en, vergelijkbaar met Ewing, meldden dat hun bionische ledemaat meer als hun eigen voelde.

Clites zei dat de aanpak van zijn team de enige is die vertrouwt op spieren en zenuwen die doen wat ze van nature doen. (Hij heeft octrooi aangevraagd bij Herr en Carty, die al een conceptueel octrooi op de procedure hebben.)

“Alle anderen die in deze ruimte werken, proberen een robotsysteem te bouwen dat functioneert in een restledemaat die eerlijk gezegd gebroken is,” zei Clites. “In plaats van dat te doen, gaan wij naar binnen en herontwerpen we het fysieke lichaam van de patiënt zodat het geoptimaliseerd is voor interactie met het prothese-ledemaat.”

Op een middag begin vorig jaar, nadat hij Ewing met succes de trap had zien beklimmen met het robotbeen, zat Herr in een MIT-conferentieruimte en dacht na over wat hij had gezien. “Wanneer we hamers ontwerpen en bouwen, ze oppakken en spijkers erin slaan, is dat gereedschap”, zei hij. “Het staat los van ons lichaam. Het is iets dat we gebruiken. Maar het is geen integraal onderdeel van onszelf. We zijn nu het invoeren van een nieuw tijdperk van mens-technologie interactie. “

Hij zei dat hij hunkert naar die sensatie van eigendom, wat hij noemt “belichaming,” en hij gaf toe gevoel “groen van jaloezie” voor Ewing. “Maar de tijd zal komen,” voegde hij eraan toe.

Inderdaad, vorig jaar, Herr’s lab publiceerde een paper waarin werd beschreven hoe de nieuwe benadering van amputatie kan worden toegepast op mensen zoals Herr die al de standaardprocedure hebben ondergaan.

Carty is al van plan om te beginnen met het uitvoeren van een boven-de-knie-versie van de Ewing-amputatie, met de eerste patiënt gepland voor operatie in juni en twee meer waarschijnlijk in de herfst.

Deze patiënten zullen deel uitmaken van de lopende grotere klinische proef, die wordt gefinancierd met $ 3 miljoen van het ministerie van Defensie. De proef zal uiteindelijk 16 tot 20 patiënten omvatten, zei Carty. Het zou vier jaar duren, maar de rekrutering is veel sneller gegaan dan verwacht, dankzij mond-tot-mondreclame. Carty heeft tot nu toe negen van de amputaties gedaan.

Twee jaar geleden, strompelde Ewing in Brigham en Women’s Faulkner Hospital voor de eerste. Eerder deze maand keerde hij terug, dit keer vol vertrouwen door de hal stappend op een bionisch been, de kleine elektromotor zoemend bij elke stap. Hij was daar om een 20-jarige vrouw te bezoeken die op het punt stond de amputatieprocedure te ondergaan die zijn naam droeg.

Toen hij de hoek omsloeg naar de preoperatieve ruimte, stond patiënte nr. 9 gretig te wachten. “Hoi, Jim,” zei ze.

“Heb je mijn onderdelen gehoord,” vroeg hij.

Toen omhelsden ze elkaar.