Az agy és a gerincvelő által teljes mértékben vezérelhető robotláb hét olyan embert tett lehetővé, akik elveszítették az alsó lábukat, hogy körülbelül olyan gyorsan járjanak, mint az amputáció nélküli emberek.

A bionikus láb egy számítógépes interfészt használ, amely felerősíti az idegi jeleket a láb többi részének izmaiból, így a viselője saját gondolatai és természetes reflexei segítségével mozgathatja a protézist.

Egy 14 fős klinikai vizsgálatban az ezzel a felülettel rendelkező résztvevők 41%-kal gyorsabban tudtak járni, mint a hagyományos robotlábakkal rendelkezők. Ezenkívül jobb volt az egyensúlyuk, és képesek voltak sebességet változtatni, lépcsőzni és leküzdeni az akadályokat. Az eredményeket ma hirdették kiTermészetgyógyászatközzétett 1.

"Ez az első olyan tanulmány, amely természetes járásmintákat mutat meg teljes neurális modulációval, ahol a személy agya 100%-ban irányítja a bionikus protézist, nem pedig egy robotalgoritmus" - mondta a tanulmány társszerzője. Hugh Lord, a Cambridge-i Massachusetts Institute of Technology biofizikusa az eredményeket ismertető sajtótájékoztatón.

"Bár a láb titánból, szilikonból és különféle elektromechanikus alkatrészekből készül, a láb természetesen, tudatos gondolkodás nélkül érez és mozog" - tette hozzá.

Herr mindkét lábát amputálták, miután 1982-ben egy hóvihar során jégre szorult a Mount Washingtonon, New Hampshire államban. Azt mondja, hogy a jövőben fontolóra veszi az interfész-eszközök használatát a végtagjai számára.

Az izom találkozik a géppel

A legtöbb létező bionikus mesterséges végtag előre beállított algoritmusokra támaszkodik a mozgások vezérléséhez, és automatikusan válthat az előre meghatározott üzemmódok között a különböző járási körülményekhez. A fejlett modellek segítségével az amputált emberek gördülékenyebben járhatnak, futhatnak és lépcsőzhetnek, de a robot megtartja az irányítást a láb mozgása felett, nem a felhasználóé, és a készülék nem érzi magát a test részének.

Herr és munkatársai elhatározták, hogy ezen változtatni akarnak, és kifejlesztettek egy interfészt, amely az amputáció után megmaradt idegekből és izmokból származó jelek segítségével vezérli a robotlábat.

Klinikai vizsgálatukban 14 résztvevő vett részt, akiknek térd alatti amputációja volt. A roboteszköz viselése előtt heten műtéten estek át, hogy a lábuk többi részében izompárokat kötöttek össze.

Ez a sebészeti technika, amely agonista-antagonista myoneurális interfészt (AMI) hoz létre, célja a természetes izommozgások újrateremtése, így az egyik izom összehúzódása megnyújtja a másikat. Ez segít enyhíteni a fájdalmat, fenntartani az izomtömeget, és javítja a bionikus láb kényelmét 2.

Maga a bionikus láb egy protézisbokát tartalmaz, amely érzékelőkkel és elektródákkal van felszerelve a bőr felszínére. Ezek rögzítik az amputáció helyén lévő izmok által generált elektromos jeleket, és elküldik egy kis számítógépre dekódolás céljából. A láb súlya 2,75 kilogramm, hasonló a természetes alsó lábszár átlagos súlyához.

Gyors fejlesztések

A rendszer teszteléséhez a résztvevők összesen hat órát gyakoroltak új bionikus lábaikkal. A kutatók ezt követően összehasonlították a különböző feladatokban nyújtott teljesítményüket azon hét másik résztvevőével, akik hagyományos műtéten és protézisen részesültek.

Az AMI átlagosan másodpercenként 10,5 impulzusra növelte az izomjelek sebességét, míg a kontrollcsoportban ez az érték 0,7 impulzus volt. Bár ez az izomimpulzusok csupán 18%-át jelenti a biológiailag ép izmokban – körülbelül 60 impulzus másodpercenként –, az AMI-s résztvevők teljes mértékben kontrollálták protéziseiket, és 41%-kal gyorsabban jártak, mint a kontrollcsoportban. Csúcssebessége megegyezik a 10 méter hosszú folyosón sík úton haladó amputáció nélküli emberekével.

"Valójában figyelemre méltónak találtam, hogy ilyen kevés tanulással is ilyen jól jártak" - mondja Levi Hargrove, az Illinois állambeli Chicagói Northwestern Egyetem idegkutatója. "Még több hasznot látnának, ha hosszabb edzési időszakot viselnének az eszközön."

A kutatók azt is tesztelték, hogy a résztvevők mennyire tudnak jól kezelni különféle helyzeteket, beleértve az 5 fokos dőlésszögű padlón való járást, a lépcsőzést és az akadályok leküzdését. Az AMI-felhasználók minden esetben jobb egyensúlyt és gyorsabb teljesítményt mutattak, mint a kontrollcsoport tagjai.

„Olyan nagyfokú rugalmasságot biztosít a felhasználónak, amely sokkal közelebb áll a biológiai lábhoz” – mondja Tommaso Lenzi, a Salt Lake City-i Utah Egyetem orvosbiológiai mérnöke.

Természetes tapasztalat

A technológia új reményt kínál azoknak az amputáción átesett embereknek, akik szeretnék visszanyerni a természetes járást. "Azok az emberek, akiket amputáltak, meg akarják őrizni a végtagjaik irányítását. Azt akarják érezni, hogy a végtag a testük része" - mondja Lenzi. "Ez a fajta neurális interfész szükséges ennek eléréséhez."

A láb kialakításának fejlesztése csökkentheti a súlyt és optimalizálhatja a felületi elektródákat, amelyek érzékenyek a nedvességre és az izzadságra, és nem biztos, hogy mindennapi használatra alkalmasak, mondja Lenzi. Jövőbeli vizsgálatokra lesz szükség annak tesztelésére, hogy az eszköz képes-e kezelni az olyan megerőltető tevékenységeket, mint a sprint és az ugrás.

Herr elmondása szerint csapata már keresi annak módját, hogy a felületi elektródákat kis beültetett mágneses golyókra cseréljék, amelyek pontosan nyomon tudják követni az izommozgásokat.

Ez a tanulmány „megadja az alapot ahhoz, hogy ezt klinikailag életképes technológiákká és megoldásokká alakítsuk át mindenki számára, aki amputációt szenvedett” – mondja Lenzi.