Protezy kończyn są najczęstszym rozwiązaniem zastępującym utraconą kończynę. Są jednak trudne do kontrolowania i często niewiarygodne, gdy dostępnych jest tylko kilka ruchów. Resztki mięśni kikuta są preferowanym źródłem kontroli dla bionicznych rąk. Dzieje się tak, ponieważ pacjenci mogą kurczyć mięśnie do woli, a aktywność elektryczna generowana przez skurcze może być wykorzystana do mówienia protezie ręki, co ma robić, na przykład otwierać lub zamykać. Głównym problemem przy wyższych poziomach amputacji, takich jak powyżej łokcia, jest to, że pozostaje niewiele mięśni, aby sterować wieloma stawami robota potrzebnymi do prawdziwego przywrócenia funkcji ramienia i dłoni.
Multidyscyplinarny zespół chirurgów i inżynierów obszedł ten problem, rekonfigurując kikut i integrując czujniki oraz implant szkieletowy w celu elektrycznego i mechanicznego połączenia z protezą. Dzięki sekcji nerwów obwodowych i rozmieszczeniu ich w nowych docelowych mięśniach wykorzystywanych jako wzmacniacze biologiczne, bioniczna proteza może teraz uzyskać dostęp do znacznie większej ilości informacji, dzięki czemu użytkownik może dowolnie sterować wieloma stawami robota (wideo: https://youtu.be/h1N-vKku0hg ).
Badaniami kierował profesor Max Ortiz Catalan, dyrektor-założyciel Centrum Bioniki i Badań nad Bólem (CBPR) w Szwecji, kierownik badań nad protetyką neuronową w Instytucie Bionics w Australii oraz profesor bioniki na Chalmers University of Technology w Szwecji.
„W tym artykule pokazujemy, że ponowne okablowanie nerwów do różnych docelowych mięśni w sposób rozproszony i równoczesny jest nie tylko możliwe, ale także sprzyja lepszej kontroli protezy. Kluczową cechą naszej pracy jest to, że mamy możliwość klinicznego wdrożenia bardziej udoskonalonych zabiegów chirurgicznych procedury i osadzać czujniki w konstruktach nerwowo-mięśniowych w czasie operacji, które następnie łączymy z systemem elektronicznym protezy za pośrednictwem zintegrowanego interfejsu. Algorytmy AI zajmą się resztą”.
Protezy kończyn są zwykle mocowane do ciała za pomocą panewki, która uciska kikut powodując dyskomfort i jest niestabilna mechanicznie. Alternatywą dla mocowania gniazda jest użycie tytanowego implantu umieszczonego w resztkowej kości, która zostaje silnie zakotwiczona – nazywa się to osteointegracją. Takie mocowanie szkieletowe pozwala na wygodne i sprawniejsze mechaniczne połączenie protezy z ciałem.
„To satysfakcjonujące widzieć, że nasze najnowocześniejsze innowacje chirurgiczne i inżynieryjne mogą zapewnić tak wysoki poziom funkcjonalności osobie po amputacji ręki. Osiągnięcie to opiera się na ponad 30 latach stopniowego rozwoju koncepcji, w której jestem jesteśmy dumni, że mogliśmy wnieść swój wkład” – komentuje dr Rickard Brånemark, pracownik naukowy MIT, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Göteborgu, dyrektor generalny firmy Integrum, wiodącego eksperta w dziedzinie osteointegracji protez kończyn, który przeprowadził implantację interfejsu.
Operacja odbyła się w Szpitalu Uniwersyteckim Sahlgrenska w Szwecji, gdzie znajduje się CBPR. Zabieg rekonstrukcji nerwowo-mięśniowej przeprowadził dr Paolo Sassu, który również kierował pierwszym przeszczepem ręki wykonanym w Skandynawii.
„Niesamowita podróż, którą odbyliśmy razem z inżynierami bionicznymi z CBPR, pozwoliła nam połączyć nowe techniki mikrochirurgiczne z wyrafinowanymi wszczepionymi elektrodami, które zapewniają kontrolę nad protezą ręki jednym palcem, a także sensoryczne sprzężenie zwrotne. Pacjenci po amputacji ręki może teraz widzieć lepszą przyszłość”, mówi dr Sassu, który obecnie pracuje w Istituto Ortopedico Rizzoli we Włoszech.
Artykuł Science Translational Medicine ilustruje, w jaki sposób przeniesione nerwy stopniowo łączyły się z nowymi mięśniami gospodarza. Gdy proces unerwienia był wystarczająco zaawansowany, naukowcy podłączyli je do protezy, aby pacjent mógł kontrolować każdy palec protezy ręki, jakby to był jego własny (wideo: https://youtu.be/FdDdZQg58kc). Naukowcy zademonstrowali również, w jaki sposób system reaguje na codzienne czynności (wideo: https://youtu.be/yC24WRoGIe8) i są obecnie w trakcie dalszego ulepszania sterowalności bionicznej ręki.