Реч „бионички“ призива визије научне фантастике о људима побољшаним до надљудских нивоа. Тачно је да напредак у инжењерингу, као што су бољи мотори и батерије, заједно са модерним рачунарством, значи да механички и електронски системи више нису препрека за напредне протезе. Али поље се борило да интегрише те моћне машине са људским телом. То почиње да се мења.
Хируршка реконструкција мишићних парова
Недавно испитивање тестирало је нову технику интеграције, која укључује хируршку реконструкцију мишићних парова како би се корисницима дала свест о положају и кретању бионичког уда.
Сигнали из тих мишића контролишу роботичке зглобове, тако да је протеза у потпуности под контролом корисниковог мозга. Систем је омогућио људима са ампутацијом испод колена да ходају природније и боље прелазе падине, степенице и препреке, известили су истраживачи у јулу у часопису Натуре Медицине.
Инжењери су типично посматрали биологију као фиксирано ограничење које треба инжењерски заобићи, каже биоинжењер Тајлер Клајтс, који је помогао у развоју технике пре неколико година док је био на МИТ-у.
„Али ако тело посматрамо као део система који треба инжењерски обрадити, паралелно са машином, њих двоје ће моћи боље да комуницирају.“ Тај став покреће талас техника које репрограмирају тело како би се боље интегрисало са машином. Клајтс, сада на УЦЛА, те технике назива „анатомика“, како би их разликовао од традиционалне бионике.
„Проблем који смо решавали није био инжењерски проблем“, каже он. „Начин на који је тело било манипулисано током ампутације није остављао могућност да контролише удове које смо стварали.“
Технике које побољшавају везу између роботичког уда и нервног система човека
У анатомском приступу, кости се користе као стабилни анкери; нерви се преусмеравају како би стварали контролне сигнале за роботичке удове или преносили повратне информације о чулима; мишићи се користе као биолошки појачивачи или пресађују како би обезбедили више извора сигнала.
Све ове технике побољшавају везу и комуникацију између роботичког уда и људског нервног система, побољшавајући способности бионичких протеза.
Уређаји базирани на анатомици полако излазе из лабораторија у комерцијални и клинички свет. Али неки тврде да нас ово поље приближава визији из научне фантастике о беспрекорно интегрисаним, мозгом контролисаним бионичким удовима — посебно како напредак доноси нове технике.
Реконструкција мишића
Проприоцепција — телесна свест о себи у простору је компликован осећај за обнављање, али је важна за кретање, посебно за ходање. Мишићи шаљу сигнале нашем мозгу о томе где се налази наше тело, како се креће и са којим силама се суочава.
Ови сигнали се углавном генеришу путем упарених мишића који се зову агонист-антагонист парови, где један контрахује док се други истеже. Код традиционалне ампутације, ова важна повратна информација се губи.
Шта омогућава кориснику да осети свој бионички уд?
Али техника пријављена у јулском истраживању, позната као агонист-антагонистна мијонеурал интерфејс, или АМИ, хируршки реконструише ове парове и користи сигнале које генеришу за контролу протезе зглобова. Процедура омогућава кориснику да „осети“ свој бионички уд.
„Када се протеза помера, особа заправо осећа то кретање као природну проприоцептивну сензацију“, каже МИТ-ов бионичар Хјуз Хер, који је развио технику заједно са Клајтсом и хирургом Метјуом Картијем. Недавна студија била је део клиничког испитивања које су Хер и његови сарадници спровели, а које је тестирало технику код 14 људи са ампутацијом испод колена.
Седам учесника је прошло АМИ процедуру, док су остали имали стандардне ампутације. Корисници АМИ система повећали су брзину хода за око 40 процената, са 1,26 метара у секунди на 1,78 метара у секунди, што је брзина упоредива са онима који немају ампутацију.
Продужење костију
Најчешће притужбе корисника протеза односе се на бол и нелагодност. Главни извор нелагодности је тачка причвршћивања. „Многи проблеми са употребом протеза повезани су са лежиштем“, каже биоинжењерка Синди Честек са Универзитета Мичиген у Ен Арбору. Меко ткиво је лоше прилагођено за пренос оптерећења на део тела који је створен за тај посао — кости.
Резултујући напор може узроковати оштећење ткива и, неизбежно, нелагодност, понекад доводећи кориснике до напуштања својих уређаја. Техника звана osseointegracija користи чињеницу да одређени метали формирају везу са кости. Титанијумски шраф уметнут у скелет фиксира протезу на месту, пружајући већу снагу, стабилност и удобност. „Постоји разлог зашто имамо скелете“, каже Честек.
Процедура је први пут изведена 1990. године
Процедура је први пут изведена 1990. године, али није постала широко прихваћена и клинички доступна све до протекле деценије. Један имплант систем, назван ОПРА, добио је одобрење америчке Управе за храну и лекове 2020. године.
Главни недостатак је што титанијумски шраф мора проћи кроз кожу, стварајући сталну рупу која носи ризик од инфекција. „Осим ризика од инфекција, осеоинтеграција је боља у свим аспектима“, каже Честек.
Преусмеравање нерава
Бионичари већ дуго покушавају да се повежу са нервима у телу како би креирали протезе које комуницирају са мозгом. Међутим, рани покушаји били су фрустрирајући, углавном због тога што су сигнали које нерви преносе врло слаби.
„Људи су деценијама покушавали да добију значајне сигнале од [постављања] жице унутар нерава“, каже Честек. „До данас је то скоро немогуће изван контролисаних лабораторијских услова.“
Модерни бионички протетски уређаји углавном комуницирају са мишићима. Када их нерви активирају, мишићи емитују много јаче електричне сигнале, које електроде на кожи могу да препознају, а затим контролишу протетички уд.
Међутим, нерви који су претходно управљали деловима изгубљеног уда – и који би сличном ефикасношћу могли да управљају вештачким удом – обично не завршавају у мишићима. Они немају одредиште, што ствара неуроме, чвориће на крајевима нерава чије електрично „искрење“ изазива бол.
Процедура названа циљана реинерверација мишића (ТМР) решава овај проблем
Хирург уклања мишиће са њихових природних нерава и преусмерава пресечене нерве на ову свеже очишћену површину. Преусмерени нерви током времена расту у мишиће, који делују као појачавачи, стварајући изворе потребних контролних сигнала.
„Од проблема снимања нерва направите проблем снимања мишића“, каже Честек. „Снимање мишића је лако.“ Процедура такође лечи бол изазван неуромом – то је често и разлог због којег се изводи.
Мана ТМР-а је што „канибализује“ постојеће мишиће, ограничавајући број сигнала који могу да се креирају. „Брзо останете без простора“, каже Честек. Ово је посебно важно код ампутација изнад колена или лакта, где има мање преосталих мишића и више зглобова протезе којима треба управљати.
Шта је РПНИ?
Нова техника, позната као регенеративни периферни нервни интерфејс (РПНИ), хируршки умеће мале мишићне графтове узете са другог места и преусмерава нерве на њих. Хирурзи затим могу да раставе ове нервне снопове на њихове појединачне влакна како би искористили нове циљеве графтова, омогућавајући истраживачима да креирају онолико сигнала колико им је потребно, каже Честек.
Међутим, мала величина мишићних графтова отежава препознавање сигнала са њих коришћењем површинских електрода. „Не можете лако снимати [електричне сигнале] са троцентиметарског комада мишића кроз кожу“, каже Честек.
„Морате користити уграђене електроде.“ Ово је инвазивније, а имплантати се суочавају са регулаторним препрекама, али уграђене електроде производе квалитетније сигнале. Оне само морају некако бити доступне, јер провођење жица кроз кожу није одрживо изван лабораторијских истраживања.
Комбинација РПНИ-ја и осеоинтеграције
Неки истраживачи раде на бежичним системима, али друго решење је комбинација РПНИ-ја са осеоинтеграцијом. У овом случају, жице између уграђених електрода и протезе једноставно пролазе кроз титанијумски вијак. Студија објављена прошле године описала је бионичку руку изнад лакта која користи овај приступ, омогућавајући кориснику да контролише сваки прст своје роботске руке.
Обнова тела
У његовој лабораторији за анатомију на UCLA, Клајтс каже: „Имам девет или десет активних сарадњи са хирурзима на различитим пројектима.“ Овде, он и његов тим користе кадавере да тестирају идеје и прикупљају податке.
„Монтирамо удове кадавера на манипулатор и процењујемо системе које развијамо како бисмо били сигурни да раде како је планирано“, каже Клајтс. „То је основа онога што радимо.“
Нова метода причвршћивања
Један од пројеката у развоју је нова метода причвршћивања која избегава трајну рупу која долази са осеоинтерграцијом. Уместо титанијумског вијка, у уд се уграђује челични комад, а у утичници протезе електромагнет.
„Тај магнет држи утичницу на уду“, каже Клајтс, „а затим можете контролисати колико атрактивне силе има променом струје кроз тај електромагнет.“ Утичница не мора да носи тежину; магнетска сила обавља тај посао, мењајући се из тренутка у тренутак према потребама, као што су ходање или стајање.
Недавно тестирање бионичких ногу засновано на АМИ-у
На МИТ-у, Хер такође ради на новом напретку. Недавно тестирање бионичких ногу заснованих на АМИ-у користило је електроде на кожи за усмеравање сигнала из мишића ка протетичким зглобовима. Међутим, површинске електроде имају недостатке, попут изобличења сигнала услед покрета.
Нова техника — названа магнетомикрометрија — укључује постављање магнетних куглица унутар мишића и праћење њиховог кретања помоћу магнетометара. „Уз ове магнете“, каже Хер, „можемо мерити оно што нам је битно и користити то за директно управљање бионичком протезом.“ Комерцијални производ ће постојати за отприлике пет година, каже он.
За Хера су такви напреци лични
Обе његове ноге су ампутиране испод колена након несреће приликом планинарења пре 42 године. Он размишља о надоградњи на бионичке ноге засноване на АМИ-у у наредним годинама. Када ове технике буду усавршене, предвиђа огроман напредак. „Када спојите хируршке технике попут АМИ-ја и РПНИ-ја са нечим попут магнетомикрометрије, верујемо да ће то бити крај игре“, каже Хер. „Верујемо да ће постојати холивудска верзија роботских удова контролисаних мозгом.“
Додатна предност враћања проприоцепције, заједно са другим врстама сензорних повратних информација попут додира, јесте што чини да корисници осећају да је протеза део њих. „Циљ у овој области је да, када радимо роботску реконструкцију, особа каже: ‘О мој Боже, вратио си ми тело.’“ каже Хер. „Уместо роботског алата, враћамо им цео уд. Ова област је врло близу тог циља.“
