CAMBRIDGE, Mass. – W zeszłym roku przez wiele godzin inżynierowie Massachusetts Institute of Technology testowali sterowaną przez mózg zrobotyzowaną kończynę, sprawdzając jej możliwości na serii pacjentów i dostrajając ją niczym ekipa przygotowująca samochód wyścigowy do wyścigu Indy 500.

Pacjenci zginali protezę stopy: palec w górę, palec w dół. Palec do środka, palec na zewnątrz. Chodzenie po schodach, a potem z powrotem w dół. Jednak najbardziej prowokujące spostrzeżenia poczynili po zakończeniu całodziennych eksperymentów, kiedy pacjent Jim Ewing siedział i rozmawiał z zespołem: On wiercił się, obracając zmotoryzowaną kostkę, nieświadomie.

To nie było dużo, tylko machnięcie teraz i wtedy, ale to dostarczyło mocnych dowodów, że nowa zrobotyzowana stopa stała się bezproblemową częścią ciała Ewinga w sposób, który nigdy wcześniej nie został osiągnięty z protetyczną kończyną, naukowcy zgłosili w środę.

reklama

„Standardowa osoba po amputacji, kiedy nosi nogę, nie robi nic z tych rzeczy”, powiedział STAT dr Matthew Carty, chirurg z Brigham and Women’s Hospital i współautor pracy. „Ale Jim, kiedy siedział i rozmawiał z nami, poruszał swoją bioniczną stopą, jakby to była jego biologiczna stopa. I nie myślał o tym. Po prostu był sobą.”

Kluczem do uczynienia bionicznej stopy podobną do biologicznej było połączenie postępu chirurgicznego z technologicznym, twierdzą naukowcy. Ewing – który uszkodził sobie lewą stopę, kiedy spadł około 50 stóp z klifu, który skalpował na Kajmanach – był pierwszą osobą, która przeszła zupełnie nowy rodzaj amputacji, zapoczątkowany przez Carty’ego i profesora MIT, Hugh Herra. Inżynierowie, w międzyczasie, opracowali protezę stopy, która umożliwiłaby dwukierunkową komunikację, z sygnałami podróżującymi z mózgu Ewinga do jego szczątkowej kończyny dolnej i do bionicznej kończyny, a następnie z powrotem.

Herr, sam wspinacz skałkowy, który stracił obie nogi na skutek odmrożeń jako nastolatek, opisuje swój cel jako nic innego jak wyeliminowanie niepełnosprawności. To wciąż daleka przyszłość. Ale badania pokazują potencjał nowego systemu, aby pomóc ludziom z amputowanymi nogami złapać się, kiedy schodzą z krawężników, których nie widzą, lub wędrować po nierównym terenie bez potykania się, powiedział Tyler Clites, który właśnie uzyskał tytuł doktora. z Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology i był głównym autorem pracy opublikowanej w Science Translational Medicine.

reklama

Ewing, określany jako „Obiekt A” w pracy, był jedynym badanym pacjentem, który przeszedł nową procedurę. Clites porównał to, jak radził sobie ze zrobotyzowaną stopą, z wynikami czterech osób, które przeszły tradycyjną amputację. W przeciwieństwie do Ewinga, który opisał protezę jako „swoją nogę”, inni zgłosili „wyraźny brak własności protezy lub emocji związanych z kontrolowaniem jej”, napisał Clites.

Ewing, 54, wykazał bardziej subtelną kontrolę nad stopą z włókna węglowego i metalu, która waży około 2 kilogramów – mniej więcej tyle samo, ile jego naturalna stopa. On również automatycznie podniósł i opuścił palce podczas wchodzenia lub schodzenia po schodach, odruchowe zachowanie widziane u ludzi z nienaruszonymi nogami, ale nigdy wcześniej z protezą. „To jest poniżej poziomu jego świadomości,” powiedział Clites. „To się po prostu dzieje, naturalnie.”

Przed stwierdzeniem, że nowa operacja jest lepsza od standardowej amputacji, jednak wyniki muszą zostać powtórzone w większej próbie klinicznej, która jest już w toku.

STAT śledził eksperyment przez ostatnie 15 miesięcy, zbierając materiał do nadchodzącego filmu dokumentalnego, zatytułowanego „Augmented”, o Herr i jego zespole ambitnego projektu stworzenia zaawansowanych robotycznych protez, które stają się jednym z pacjentów.

Najważniejsze, MIT i Brigham naukowcy byli w stanie przywrócić Ewinga poczucie propriocepcji, zdolność do poznania – bez patrzenia – gdzie twoje kończyny są w przestrzeni, jak szybko się poruszają i z jaką siłą. To jest to, co pozwala ci dotknąć palców razem z zamkniętymi oczami, lub do kalibracji tylko jak mocno nacisnąć na pedał gazu. W skrócie, „to jest fundamentalne dla wszystkich ludzkich ruchów” Clites powiedział w interview.

Paul Marasco, szef Laboratorium Bionic Integration w Cleveland Clinic, nazwał papier „cool”, mówiąc „propriocepcja była naprawdę trudny orzech do zgryzienia” dla deweloperów robotycznych kończyn. „To jest poczucie, że nawet nie wiemy, że mamy”, powiedział, „że bierzemy całkowicie za pewnik. Ale bez niego, funkcjonalność protetyki jest naprawdę zmniejszona.”

W ludzi z nienaruszonymi kończynami, propriocepcja zależy od współdziałania między przeciwstawnymi mięśniami: Kiedy twój biceps kurczy się i porusza łokciem, na przykład, triceps rozciąga się, a czujniki w tych mięśniach i dołączonych ścięgnach sygnalizują mózgowi, że ramię się zgięło. To ciągłe sprzężenie zwrotne pozwala mózgowi precyzyjnie kontrolować ruch, ale w tradycyjnej procedurze amputacji te połączenia są zrywane.

Nowa „amputacja Ewinga” odtwarza je, zszywając pary mięśni i ścięgien, które kiedyś łączyły się z kostką i stawem podtalerza w stopie. Kiedy jeden mięsień się kurczy, drugi rozciąga się, przywracając uczucie, że staw się porusza. Elektrody przymocowane do skóry pacjenta rejestrują ruchy mięśni w jego kończynie szczątkowej i wysyłają sygnały do protezy stopy, które powodują, że porusza się ona w sposób, w jaki pacjent czuje, że się porusza.

W tym samym czasie stopa wysyła z powrotem impulsy elektryczne do kończyny szczątkowej na temat wywieranej siły, umożliwiając pacjentowi dostosowanie siły, z jaką naciska.

„To, co jest wyjątkowe w przypadku Jima w porównaniu z innymi, to fakt, że kiedy Jim myśli o poruszaniu swoją kończyną fantomową, ma wrażenie, że kończyna fantomowa porusza się w sposób, w jaki on chce, aby się poruszała” – powiedział Clites.

Ewing mógł poczuć to uczucie, jak tylko robotyczna stopa została przymocowana i dostrojona. „Od razu zacząłem jej używać tak, jakby to była moja własna stopa,” powiedział STAT, bez konieczności ponownego szkolenia swojego mózgu, jak uzyskać pożądane ruchy.

„Oh, wow, coś tam jest,” przypomniał sobie myśląc. „To reaguje. Czułem się jakby moja stopa wróciła.”

„Nie jestem kimś, kto jest naprawdę podatny na dramatyczne emocje,” dodał, „ale później, kiedy jechałem do domu, naprawdę czułem silną potrzebę bycia połączonym z tym ponownie. Jakby 'Chcę znów mieć tę rzecz na sobie i czuć, że mam z powrotem moją stopę.'”

Ewing, inżynier z Falmouth w stanie Maine, był tak skupiony na „monumentalnej” decyzji, czy w ogóle amputować mu nogę, że poddanie się nowatorskiej procedurze było niemalże przemyśleniem. Nie mógł być pewien, że operacja się powiedzie, że wyeliminuje przeszywający ból, który powodował, że brał coraz większe ilości tabletek przeciwbólowych. A co jeśli sprawi, że ból będzie jeszcze gorszy?

„To nie jest odwracalne, nie można tego założyć z powrotem”, powiedział. „To jest ta przerażająca część.”

Ale 19 lipca 2016 roku, półtora roku po upadku, poszedł naprzód z amputacją: „Wiedziałem, że nie mogę kontynuować przez życie z tym, co miałem,” he said.

Now dwa lata później, jego ból w dużej mierze ustąpił, choć powiedział, że nadal czuje „szum nerwów”, „stałe trochę mrowienia w stopie ducha.” Ale to go nie spowalnia. Od czasu operacji jeździ na nartach i nurkuje. Biega i wędruje z protezą z włókna węglowego, a w prawie każdy weekend chodzi na wspinaczkę. „Naprawdę nie ma takiej aktywności, w której musiałbym powiedzieć: 'Och, nie mogę tego zrobić z powodu mojej uszkodzonej kończyny’.”

Standardowa operacja amputacji pozostaje zakorzeniona w XIX wieku: Niewiele się zmieniła od czasów wojny secesyjnej, kiedy znieczulenie było jeszcze słabe, a najważniejsza była szybkość i utrzymanie pacjentów przy życiu.

W międzyczasie, protezy kończyn uległy znacznej poprawie w ostatniej dekadzie, napędzane głównie potrzebą pomocy tysiącom amerykańskich członków służb, którzy powrócili z wojen w Afganistanie i Iraku z roztrzaskanymi nogami. Armia USA pomogła sfinansować badania opisane w nowym dokumencie, wraz z MIT Media Lab Consortia, Google i Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation, który został stworzony przez rodzinę osoby, która przeżyła zamach bombowy na Maratonie Bostońskim.

„Technologie dojrzały do punktu, w którym możemy rozpocząć rozmowę o tym, jak amputacje muszą się zmienić”, aby w pełni wykorzystać cechy zaawansowanych protez, powiedział Marasco z Cleveland Clinic. „To jest naprawdę ekscytujący kawałek tego .”

Marasco niedawno zgłosił przywrócenie odczuwania ruchu ręki u trzech pacjentów z amputacjami kończyn górnych. Wibrując mięśnie w pozostałym ramieniu pacjentów, podczas gdy ich protetyczna ręka poruszała się, zespół Marasco oszukał mózg, aby myślał, że czuje ruch ręki. Pacjenci mieli lepszą kontrolę nad chwytem i, podobnie jak Ewing, zgłosili, że ich bioniczna kończyna czuła się bardziej jak ich własna.

Clites powiedział, że podejście jego zespołu jest jedynym, które opiera się na mięśniach i nerwach robiących to, co robią naturalnie. (Złożył wniosek o patent wraz z Herrem i Carty, którzy już posiadają patent koncepcyjny na tę procedurę.)

„Wszyscy inni, którzy pracują w tej przestrzeni próbują zbudować system robotyczny, który będzie funkcjonował w szczątkowej kończynie, która szczerze mówiąc jest złamana,” powiedział Clites. „Zamiast tego, my wchodzimy i projektujemy fizyczne ciało pacjenta tak, aby było zoptymalizowane do interakcji z protetyczną kończyną.”

Jednego popołudnia na początku zeszłego roku, po obejrzeniu Ewinga z powodzeniem wspinającego się po schodach za pomocą zrobotyzowanej nogi, Herr siedział w sali konferencyjnej MIT i zastanawiał się nad tym, co zobaczył. „Kiedy projektujemy i budujemy młotki, podnosimy je i wbijamy gwoździe, to jest to narzędzie” – powiedział. „Jest oddzielone od naszego ciała. To coś, czego używamy. Ale nie jest to integralna część nas samych. Wchodzimy teraz w nową erę interakcji człowiek-technologia.”

Powiedział, że tęskni za tym uczuciem własności, co nazywa „ucieleśnieniem”, i przyznał, że czuje się „zielony z zazdrości” dla Ewing. „Ale przyjdzie na to czas”, dodał.

W zeszłym roku laboratorium Herra opublikowało pracę opisującą, jak nowe podejście do amputacji może być zastosowane do ludzi takich jak Herr, którzy już przeszli standardową procedurę.

Carty już planuje rozpocząć wykonywanie nadkolanowej wersji amputacji Ewinga, z pierwszym pacjentem zaplanowanym na operację w czerwcu i dwoma kolejnymi prawdopodobnie na jesieni.

Te pacjentki będą częścią trwającej większej próby klinicznej, która jest finansowana z 3 milionów dolarów od Departamentu Obrony. Próba ostatecznie będzie zawierać 16 do 20 pacjentów, Carty powiedział. Miało to potrwać cztery lata, ale rekrutacja przebiegła znacznie szybciej niż przewidywano, napędzana przez słowo o ustach. Carty do tej pory wykonał dziewięć amputacji.

Dwa lata temu, Ewing utykał w Brigham and Women’s Faulkner Hospital na pierwszą z nich. Na początku tego miesiąca wrócił, tym razem pewnie krocząc po korytarzu na bionicznej nodze, której mały silnik elektryczny warkotał przy każdym kroku. Był tam, aby odwiedzić 20-letnią kobietę, która miała przejść zabieg amputacji noszący jego imię.

Jak skręcił za róg do obszaru przedoperacyjnego, pacjentka nr 9 czekała z niecierpliwością. „Cześć, Jim” – powiedziała.

„Słyszałeś moje części” – zapytał.

Potem objęli się.

.