Akarattal mozgatható és érez is a bionikus műkéz

2020.05.24. 10:20

Amputált karú emberek újra érezhetnek és foghatnak az agy által irányított műkar segítségével, amelyet mindennapi életük során sajátjukként használnak. A New England Journal of Medicine folyóiratban megjelent közlemény három olyan svéd páciensről szól, akik évek óta élvezik a ma létező legintegráltabb ember-gép interfész előnyeit.

Az érintettek immár hét éve használják az elmével irányított kar- és kézprotézist, amelyet mérnökei az utóbbi néhány évben egy további funkcióval ruháztak fel: viselőik immár nemcsak mozgatni tudják a művégtagot, hanem a tapintás érzetét is részlegesen visszakapták általa. Ez fordulatot jelent a mesterséges végtagok fejlesztése terén, amelyeket immár neuromuszkuloszkeletális – az idegeket, az izmokat és a csontvázat integráló – protéziseknek neveznek.

A kutatást a svéd Chalmers Műszaki Egyetem tanára, Max Ortiz Catalan irányította további svédországi partnerek – a Sahlgrenska Egyetem Klinikája, a Göteborgi Egyetem és az Integrum AB – közreműködése mellett. A projektben részt vettek a Bécsi Orvosi Egyetem és az amerikai Massachusetts Institute of Technology munkatársai is.

Tanulmányunk megmutatja, hogy a csonthoz erősített, az idegekbe és izmokba beültetett elektródokkal irányított protézis sokkal precíziósabban képes működni egy hagyományos műkéznél – hangsúlyozza Ortiz Catalan. – A protézis használhatóságát tapintásérzékelő visszajelzéssel javítottuk, amely segít a pácienseknek a fogás és markolás optimális erősségének szabályozásában. Idővel a használók egyre kisebb különbségeket is észlelni tudtak a nyomás intenzitásában, vagyis képességeik a gyakorlással sokat fejlődtek."

„A kutatás legfontosabb tudományos hozzájárulása az, hogy bizonyítja: ez az újfajta protézis egy elveszett kar klinikailag működőképes helyettesítője lehet – folytatja a kutató. – Függetlenül attól, milyen kifinomulttá válnak a gép-ideg interfészek, csak akkor hajtanak valódi hasznot a betegeknek, ha a páciens és protézise közötti kapcsolat hosszú távon is biztonságos és megbízható. Eredményeinkbe sok év munkáját fektettük, s most végre bemutathatjuk az első bionikus karprotézist, amely beültetett elektródokkal megbízhatóan irányítható, és érzeteket is biztosít a mindennapi használatban a páciens számára."

Forrás: Johan Bodell/Chalmers University of Technology

Az elme irányítja ezeket a művégtagokat

A művégtagok felszerelése óta a cikkben szereplő páciensek napi szinten, privát életükben és munkájukban egyaránt folyamatosan használták az okosprotézist. A neuromuszkuloszkeletális protézisek több olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek világelsővé teszik őket a maguk nemében. Közvetlen összeköttetésben állnak a páciens idegeivel, izmaival és csontjaival. Az elme által irányíthatók, és az általuk közvetített tapintási érzeteket a felhasználó úgy érzékeli, mintha azok a hiányzó végtagból erednének. Minden elektronika a művégtagba van beépítve, ezért a pácienseknek nem kell további berendezéseket vagy elemeket magukkal hordaniuk. Végül, de nem utolsó sorban ezek a művégtagok hosszú távon stabilak és biztonságosak: a protéziseket a betegek megszakítás nélkül használják évek óta a mindennapi életükben, nem csak zárt vagy ellenőrzött körülmények között, mindenféle kutatói felügyelet nélkül.

A technológia legújabb része, a tapintásérzet a korábbi biológiai kéz idegeinek stimulációja révén válik lehetségessé. A műkéz hüvelykujjába elhelyezett erőérzékelők fogás közben mérik a tárgyra gyakorolt nyomást. Ezt az információt a berendezés a kar megmaradt részének idegcsonkjába továbbítja, amely így a felhasználó agyába jut. A páciensek így szó szerint érzik, ha megfogtak egy tárgyat, sőt, a jellegzetességeit, a nyomásnak való ellenállását is érzékelik. Mindez alapvető fontosságú, ha egy biológiai kezet szeretnénk utánozni.

A mai technika mellett nem a szenzorok jelentik a kihívást az érzékelés helyreállításában – mondta el Ortiz Catalan. – A valódi nehézség abban áll, hogy olyan idegi interfészt hozzunk létre, amely zökkenőmentesen továbbít nagy mennyiségű összegyűjtött mesterséges érzékszervi adatot az idegrendszer felé, méghozzá úgy, hogy azokat a felhasználó természetes módon, erőfeszítés nélkül tudja feldolgozni."

Az új eszköz implantációját a Sahlgrenska Egyetem Klinikáján Rickard Brånemark professzor és Dr. Paolo Sassu vezetésével végezték. Világszerte több mint egymillió ember él elvesztett végtaggal, és az Integrum AB-t is magába foglaló kutatócsoport végső célja az, hogy széles körben elérhető terméket hozzanak létre, amely minél több érintett számára használható. „A jelen pillanatban Svédországban zajlik az amputált kart kiváltó új protézis-technológia klinikai értékelése – ismertette Ortiz Catalan. – Reményeink szerint a rendszer néhány év múlva Svédországon kívül is elérhető lesz, és a hasonló technológián alapuló lábprotézisek terén is jelentős előrehaladást értünk el. Műlábunk első implantációjára még az idén sor kerülhet."

Forrás: Johan Bodell/Chalmers University of Technology

Így működik a protézis

A karprotézis hivatalos neve e-OPRA, amely az Integrum AB által kialakított OPRA implantációs módszeren alapul. Az eljárás során a protézist a végtagcsonk csontos vázához rögzítik az osszeointegráció (csontba való beépítés) módszerével. Ezen felül a csonk idegeibe és izmaiba elektródokat ültetnek be, az e-OPRA rendszer pedig ezeken keresztül továbbít mindkét irányba jeleket az agy és a művégtag között – vagyis az agy olyasféle kapcsolatba lép a művégtaggal, mint hajdan az igazival.

A művégtagot az elme irányítja a csonkba küldött idegi- és izomimpulzusok segítségével, amelyeket az elektródok fognak fel és továbbítanak a bőrön keresztül a protézisbe. Az agyi jeleket a kutatók által kifejlesztett, a berendezésbe épített irányítóegység értelmezi. Ez az egység elég parányi ahhoz, hogy elférjen a protézisben, ugyanakkor a jeleket bonyolult, mesterséges intelligencián alapuló algoritmusok segítségével dolgozza fel. Az irányítóegység kimenetét azok a jelek képezik, amelyek közvetlenül vezérlik a műkéz mozgásait.

Forrás: Sara Manca /Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

A tapintási érzékletek forrásai a műkéz hüvelykujjában elhelyezett erőérzékelők. Ezek jelét az irányítóegység elektromos impulzusokká alakítja, amelyeket a végtagcsonk idegébe vezetnek. Az ideg az agyhoz szállítja a jeleket, amelyek a kézre gyakorolt nyomásként értelmezi azokat.

A végtagjaikat elvesztett páciensek gyakran számolnak be ún. fantomérzékletekről: olyan érzésekről, amelyek mintha a már nem létező végtagból származnának. Amikor a műkéz erőérzékelői működésbe jönnek, a páciensek azt úgy érzik, mintha a fantomkezükből származna a tapintásérzet. Hogy pontosan a fantomkéz melyik részéről, az egyénenként változik attól függően, hogy a csonk mely idegei veszik fel az impulzusokat. A legenyhébb nyomást olyannak érzékelik, mintha a bőrüket egy ceruza hegye érintené. Ahogy a nyomás növekszik, az érzés – a páciensek beszámolói alapján – erősebbé és egyre „elektromosabbá" válik.