CAMBRIDGE, Mass. – I timmar i sträck förra året körde ingenjörer vid Massachusetts Institute of Technology den hjärnstyrda robotbenet genom sitt tempo, testade dess kapacitet på en rad patienter och finjusterade den som ett depåteam som förbereder en tävlingsbil för Indy 500.

Patienterna fick böja den protesiska foten: tå uppåt, tå nedåt. Tå in, tå ut. Gå uppför en trappa och sedan ner igen. Men det var efter dagens experiment, när patienten Jim Ewing satt och pratade med teamet, som de gjorde sin mest provocerande observation: Det var inte mycket, bara en vickning då och då, men det gav starka bevis för att den nya robotfoten hade blivit en sömlös del av Ewings kropp på ett sätt som aldrig tidigare har åstadkommits med en protes, rapporterade forskarna i onsdags.

annons

”En vanlig amputerad, när han eller hon bär benet, gör inget av detta”, säger dr Matthew Carty, kirurg vid Brigham and Women’s Hospital och medförfattare till artikeln, till STAT. ”Men Jim, när han satt där och pratade med oss, rörde på sin bioniska fot som om det vore hans biologiska fot. Och han tänkte inte på det. Det var bara han som var han.”

Nyckeln till att göra den bioniska foten till en biologisk foten var att kombinera ett kirurgiskt framsteg med ett tekniskt framsteg, säger forskarna. Ewing – som skadade sin vänstra fot när han föll cirka 15 meter från en klippa som han klättrade uppför på Caymanöarna – var den första personen som genomgick en helt ny typ av amputation, som Carty och MIT-professorn Hugh Herr var pionjärer på. Ingenjörerna har under tiden utvecklat en fotprotes som möjliggör tvåvägskommunikation, med signaler som går från Ewings hjärna till hans kvarvarande underben och in i den bioniska lemmen, och sedan tillbaka igen.

Herr, som själv är bergsklättrare och som förlorade båda benen på grund av förfrysning som tonåring, beskriver sitt mål som inget mindre än att eliminera funktionshinder. Det är fortfarande långt borta. Men forskningen visar att det nya systemet har potential att hjälpa personer med amputerade ben att fånga upp sig själva när de kliver över trottoarkanter som de inte ser, eller att vandra över ojämn terräng utan att snubbla, säger Tyler Clites, som precis har tagit sin doktorsexamen. från Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology och var huvudförfattare till artikeln som publicerades i Science Translational Medicine.

annons

Ewing, som kallas ”Subject A” i artikeln, var den enda testade patienten som genomgick det nya förfarandet. Clites jämförde hur han klarade sig med robotfoten med hur fyra personer med traditionella amputationer presterade. Till skillnad från Ewing, som beskrev protesen som ”hans ben”, rapporterade de andra ”en tydlig brist på ägande av protesen eller känslor i samband med att kontrollera den”, skrev Clites.

Ewing, 54, uppvisade en mer subtil kontroll över kolfiber- och metallfoten, som väger cirka 2 kilo – ungefär lika mycket som hans naturliga fot gjorde. Han höjde och sänkte också automatiskt tårna när han gick upp eller ner för trappor, ett reflexmässigt beteende som ses hos personer med intakta ben men aldrig tidigare med en protes. ”Detta är under nivån för hans medvetande”, sade Clites. ”Det händer bara, naturligt.”

För att man ska kunna dra slutsatsen att den nya operationen är överlägsen den vanliga amputationen måste dock resultaten replikeras i en större klinisk prövning, vilket redan är på gång.

STAT har följt experimentet under de senaste 15 månaderna och samlat in material till en kommande dokumentärfilm, kallad ”Augmented”, om Herr och hans teams ambitiösa projekt att skapa avancerade robotproteser som blir ett med patienterna.

Det viktigaste är att MIT- och Brigham-forskarna lyckades återställa Ewings känsla för proprioception, dvs. förmågan att veta – utan att titta – var dina lemmar befinner sig i rymden, hur snabbt de rör sig och med vilken kraft. Det är detta som gör att man kan röra fingrarna mot varandra med slutna ögon eller kalibrera hur hårt man ska trycka på gaspedalen. Kort sagt, ”det är grundläggande för all mänsklig rörelse”, sade Clites i en intervju.

Paul Marasco, chef för Laboratory for Bionic Integration vid Cleveland Clinic, kallade artikeln ”häftig” och sade att ”proprioception har varit en riktigt svår nöt att knäcka” för utvecklare av robotar. ”Det är en känsla som vi inte ens vet att vi har”, sade han, ”som vi tar helt för givet. Men utan den är funktionaliteten hos proteser verkligen reducerad.”

I människor med intakta lemmar beror proprioceptionen på samspelet mellan motsatta muskler: När t.ex. biceps drar ihop sig och rör armbågen sträcker sig triceps, och sensorer i dessa muskler och tillhörande senor signalerar till hjärnan att armen har böjts. Denna kontinuerliga återkoppling gör det möjligt för hjärnan att finjustera rörelsen, men vid den traditionella amputationen bryts dessa förbindelser.

Den nya ”Ewing-amputationen” återskapar dem genom att sy ihop par av muskler och senor som tidigare var kopplade till fotleden och fotens subtalarled. När den ena muskeln drar ihop sig sträcker sig den andra, vilket återställer känslan av att leden rör sig. Elektroder som fästs på patientens hud registrerar muskelrörelserna i hans restled och skickar signaler till fotprotesen som får den att röra sig på samma sätt som han känner att den rör sig.

Tidigare skickar foten elektriska impulser tillbaka till restledet om kraften som utövas, vilket gör det möjligt för patienten att anpassa hur hårt han trycker på.

”Det som är unikt med Jim jämfört med andra är att när Jim tänker på att röra sin fantomled, känns det som om fantomledet rör sig på det sätt han vill att det ska röra sig”, säger Clites.

Ewing kunde känna känslan så snart robotfoten var fastsatt och inställd. ”Jag började genast använda den som om det var min egen fot”, berättade han för STAT, utan att behöva omskola sin hjärna för att få de önskade rörelserna.

”Oj, wow, det finns något där”, minns han att han tänkte. ”Den reagerar. Det kändes ungefär som om min fot hade kommit tillbaka.”

”Jag är inte någon som har en tendens till dramatiska känslor”, tillade han, ”men senare när jag körde hem kände jag verkligen ett starkt behov av att vara kopplad till den igen. Jag vill ha den där saken på igen och känna att jag har min fot tillbaka.”

Ewing, en ingenjör från Falmouth, Maine, var så fokuserad på det ”monumentala” beslutet om han överhuvudtaget skulle amputera sitt ben att det nya förfarandet nästan var en eftertanke. Han kunde inte vara säker på att operationen skulle fungera, att den skulle eliminera den olidliga smärta som fick honom att ta allt större mängder smärtstillande tabletter. Och tänk om det gjorde smärtan ännu värre?

”Det är inte reversibelt, man kan inte sätta på den igen”, sade han. ”Det är det som är skrämmande.”

Men den 19 juli 2016, ett och ett halvt år efter fallet, gick han vidare med amputationen: ”Jag visste att jag inte kunde fortsätta livet med det jag hade”, sa han.

Nu, två år senare, har hans smärta i stort sett avtagit, även om han sa att han fortfarande känner ”nervbrus”, en ”konstant liten stickande känsla i spökfoten”. Det saktar inte ner honom. Sedan operationen har han åkt skidor och dykt. Han springer och vandrar med en kolfiberprotes och i stort sett varje helg klättrar han. ”Det finns egentligen ingen aktivitet där jag måste säga: ’Åh, det kan jag inte göra på grund av min skadade lem’.”

Den vanliga amputationskirurgin är fortfarande kvar i 1800-talet: Den har inte förändrats mycket sedan inbördeskrigets dagar, då bedövning fortfarande var rudimentär och det som betydde mest var snabbhet och att hålla patienterna vid liv.

Under tiden har proteser förbättrats dramatiskt under det senaste decenniet, till stor del drivet av behovet av att hjälpa de tusentals amerikanska soldater som har återvänt från krigen i Afghanistan och Irak med sönderslagna ben. Den amerikanska armén hjälpte till att finansiera den forskning som beskrivs i den nya artikeln, tillsammans med MIT Media Lab Consortia, Google och Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation, som skapades av familjen till en överlevande från Boston Marathon-bomben.

”Teknikerna har mognat till den punkt där vi kan börja föra ett samtal om hur amputationer måste förändras” för att fullt ut kunna dra nytta av de funktioner som finns i avancerade proteser, sade Cleveland Clinic’s Marasco. ”Det är en riktigt spännande del av detta.”

Marasco rapporterade nyligen att han återställde känslan av handrörelser hos tre patienter med amputationer av övre extremiteter. Genom att vibrera musklerna i patienternas kvarvarande arm medan deras handprotes rörde sig, lurade Marascos team hjärnan att tro att den kände att handen rörde sig. Patienterna hade bättre kontroll över sitt grepp och, i likhet med Ewing, rapporterade de att deras bioniska lem kändes mer som deras egen.

Clites sade att hans grupps tillvägagångssätt är det enda som förlitar sig på att muskler och nerver gör det som de gör naturligt. (Han har ansökt om patent tillsammans med Herr och Carty, som redan har ett konceptuellt patent på förfarandet.)

”Alla andra som arbetar inom detta område försöker bygga ett robotsystem som kommer att fungera i en kvarvarande lem som helt enkelt är trasig”, sade Clites. ”Istället för att göra det går vi in och konstruerar patientens fysiska kropp så att den optimeras för att interagera med protesen.”

En eftermiddag i början av förra året, efter att ha sett Ewing framgångsrikt klättra i trappor med robotbenet, satt Herr i ett konferensrum på MIT och reflekterade över vad han hade sett. ”När vi konstruerar och bygger hammare, tar upp dem och slår in spikar är det ett verktyg”, sade han. ”Det är skilt från våra kroppar. Det är något vi använder. Men det är inte en integrerad del av oss själva. Vi går nu in i en ny era av interaktion mellan människa och teknik.”

Han sa att han längtar efter den känslan av ägande, vad han kallar ”förkroppsligande”, och han erkände att han kände sig ”grön av avundsjuka” för Ewing. ”Men tiden kommer att komma”, tillade han.

Förra året publicerade Herrs labb en artikel som beskriver hur det nya tillvägagångssättet för amputation kan tillämpas på personer som Herr som redan har genomgått standardförfarandet.

Carty planerar redan att börja utföra en version ovanför knäet av Ewing-amputationen, med den första patienten planerad för operation i juni och ytterligare två troligen i höst.

Dessa patienter kommer att ingå i den pågående större kliniska prövningen, som finansieras med 3 miljoner dollar från försvarsdepartementet. Försöket kommer i slutändan att omfatta 16 till 20 patienter, sade Carty. Det var tänkt att ta fyra år, men rekryteringen har gått mycket snabbare än väntat, drivet av word of mouth. Carty har hittills gjort nio amputationer.

För två år sedan haltade Ewing in på Brigham and Women’s Faulkner Hospital för den första amputationen. Tidigare den här månaden återvände han, den här gången med ett bioniskt ben, vars lilla elmotor surrar för varje steg. Han var där för att besöka en 20-årig kvinna som var på väg att genomgå det amputationsförfarande som bär hans namn.

När han svängde runt hörnet till det preoperativa området väntade patient nr 9 ivrigt. ”Hej, Jim”, sa hon.

”Hörde du mina delar”, frågade han.

Sedan omfamnade de varandra.