Протезы с обратной связью
Человек может очень хорошо определять положение, скорость движения и вращения своих конечностей даже с закрытыми глазами. Это ощущение, известное как проприоцепция, позволяет нам с точностью контролировать движения тела. Несмотря на произошедшие в последние годы значительные достижения в области разработки протезов, специалистам до сих пор не удавалось вернуть людям с искусственными конечностями это ощущение, отсутствие которого ограничивает их способность контролировать свои движения.
Исследователи Массачусетского технологического института (МТИ), работающие под руководством профессора Хью Херра (Hugh Herr), изобрели новый электронейронный интерфейс и коммуникационную концепцию, позволяющую посылать команды от центральной нервной системы к роботизированным протезам, обеспечивая проприоцептивную обратную связь, предоставляющую центральной нервной системе информацию о движениях суставов. Эта новая концепция, получившая название агонист-антагонист мионейронный интерфейс, подразумевает применение новаторского хирургического подхода к ампутации суставов, обеспечивающего сохранность динамичных межмышечных связей. Доклинические исследования новой концепции были проведены на базе МТИ, а последующее пилотное клиническое исследование – в женской больнице Бригхэма (Brigham and Women’s Faulkner Hospital).
Новый мионейронный интерфейс состоит из двух свободных мышечных трансплантатов, размещенных подкожно на поверхности фасции (оболочки мышц).
Рисунок из статьи Srinivasan et al. On prosthetic control: A regenerative agonist-antagonist myoneural interface (Science Robotics 2017).
Интерфейс состоит из двух противодействующих комплексов мышцы-сухожилие, известных как агонист и антагонист. Эти комплексы соединены последовательно таким образом, что при сокращении и укорочении одной из них посредством волевой или электрической стимуляции вторая растягивается, и наоборот. Такие спаренные движения позволяют естественным биологическим сенсорам передавать в центральную нервную систему электрические сигналы, несущие информацию о длине мышцы, а также скорости и силе ее сокращений. Эти сигналы интерпретируются головным мозгом как естественная приоприцепция сустава.
Профессор Херр поясняет, что именно таким образом механизм мышечно-сухожильной проприоцепции работает в человеческих суставах. Так как мышцы имеют собственные нервы, при возникновении описанного мышечного взаимодействия в мозг посылается информация, обеспечивающая способность человека ощущать движение и положение мышц, а также скорость и силу их работы. С помощью соединенных с интерфейсом электродов исследователи могут регистрировать испускаемые мышцами электрические сигналы или вызывать их сокращение с помощью электрических импульсов. Когда человек думает о том, что пошевелить своим несуществующим голеностопным суставом, мионейронный интерфейс обеспечивает движение бионического протеза, в свою очередь, посылающего сигналы в головной мозг. Это позволяет человеку ощущать движение своего протеза во всем угловом диапазоне.
Впервые в клинической практике два агонист-антагонист мионейронных интерфейса имплантировали пациенту во время хирургического вмешательства по поводу ампутации ноги ниже колена. Один из них предназначался для управления работой бионического голеностопного сустава, а второй – бионического подтаранного сустава.
После операции специально разработанный специалистами МТИ протез соединили с периферическими нервами пациента с помощью электродов, размещенных поверх каждой из мышц мионейронных интерфейсов. После этого исследователи сравнили двигательную активность пациента с имплантированным мионейронными интерфейсами с подвижность четырех пациентов, перенесших традиционную операцию по ампутации ноги ниже колена и пользующихся аналогичными протезами. Наблюдения показали, что перенесший экспериментальную процедуру пациент имел более стабильный контроль над движениями протеза и мог передвигаться более эффективно по сравнению с пациентами группы контроля. Помимо этого мионейронный интерфейс обеспечил быстрое проявления естественных рефлексивных движений, таких как вытягивание ступни в направлении следующей ступени при ходьбе по лестнице.
После этого авторы имплантировали мионейронные интерфейсы еще 9 пациентам с ампутированными ниже колена ногами и планируют адаптировать процедуру для пациентов, нуждающихся в ампутации ног выше колена, а также рук выше и ниже локтя.
Статья Tyler R. Clites et al. Proprioception from a neurally controlled lower-extremity prosthesis опубликована в журнале Science Translational Medicine.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Brigham and Women's Hospital: Surgical Technique Improves Sensation, Control of Prosthetic Limb.