Reč „bionički“ priziva vizije naučne fantastike o ljudima poboljšanim do nadljudskih nivoa. Tačno je da napredak u inženjeringu, kao što su bolji motori i baterije, zajedno sa modernim računarstvom, znači da mehanički i elektronski sistemi više nisu prepreka za napredne proteze. Ali polje se borilo da integriše te moćne mašine sa ljudskim telom. To počinje da se menja.
Hirurška rekonstrukcija mišićnih parova
Nedavno ispitivanje testiralo je novu tehniku integracije, koja uključuje hiruršku rekonstrukciju mišićnih parova kako bi se korisnicima dala svest o položaju i kretanju bioničkog uda.
Signali iz tih mišića kontrolišu robotičke zglobove, tako da je proteza u potpunosti pod kontrolom korisnikovog mozga. Sistem je omogućio ljudima sa amputacijom ispod kolena da hodaju prirodnije i bolje prelaze padine, stepenice i prepreke, izvestili su istraživači u julu u časopisu Nature Medicine.
Inženjeri su tipično posmatrali biologiju kao fiksirano ograničenje koje treba inženjerski zaobići, kaže bioinženjer Tajler Klajts, koji je pomogao u razvoju tehnike pre nekoliko godina dok je bio na MIT-u.
„Ali ako telo posmatramo kao deo sistema koji treba inženjerski obraditi, paralelno sa mašinom, njih dvoje će moći bolje da komuniciraju.“ Taj stav pokreće talas tehnika koje reprogramiraju telo kako bi se bolje integrisalo sa mašinom. Klajts, sada na UCLA, te tehnike naziva „anatomika“, kako bi ih razlikovao od tradicionalne bionike.
„Problem koji smo rešavali nije bio inženjerski problem“, kaže on. „Način na koji je telo bilo manipulisano tokom amputacije nije ostavljao mogućnost da kontroliše udove koje smo stvarali.“
Tehnike koje poboljšavaju vezu između robotičkog uda i nervnog sistema čoveka
U anatomskom pristupu, kosti se koriste kao stabilni ankeri; nervi se preusmeravaju kako bi stvarali kontrolne signale za robotičke udove ili prenosili povratne informacije o čulima; mišići se koriste kao biološki pojačivači ili presađuju kako bi obezbedili više izvora signala.
Sve ove tehnike poboljšavaju vezu i komunikaciju između robotičkog uda i ljudskog nervnog sistema, poboljšavajući sposobnosti bioničkih proteza.
Uređaji bazirani na anatomici polako izlaze iz laboratorija u komercijalni i klinički svet. Ali neki tvrde da nas ovo polje približava viziji iz naučne fantastike o besprekorno integrisanim, mozgom kontrolisanim bioničkim udovima — posebno kako napredak donosi nove tehnike.
Rekonstrukcija mišića
Propriocepcija — telesna svest o sebi u prostoru je komplikovan osećaj za obnavljanje, ali je važna za kretanje, posebno za hodanje. Mišići šalju signale našem mozgu o tome gde se nalazi naše telo, kako se kreće i sa kojim silama se suočava.
Ovi signali se uglavnom generišu putem uparenih mišića koji se zovu agonist-antagonist parovi, gde jedan kontrahuje dok se drugi isteže. Kod tradicionalne amputacije, ova važna povratna informacija se gubi.
Šta omogućava korisniku da oseti svoj bionički ud?
Ali tehnika prijavljena u julskom istraživanju, poznata kao agonist-antagonistna mijoneural interfejs, ili AMI, hirurški rekonstruiše ove parove i koristi signale koje generišu za kontrolu proteze zglobova. Procedura omogućava korisniku da „oseti“ svoj bionički ud.
„Kada se proteza pomera, osoba zapravo oseća to kretanje kao prirodnu proprioceptivnu senzaciju“, kaže MIT-ov bioničar Hjuz Her, koji je razvio tehniku zajedno sa Klajtsom i hirurgom Metjuom Kartijem. Nedavna studija bila je deo kliničkog ispitivanja koje su Her i njegovi saradnici sproveli, a koje je testiralo tehniku kod 14 ljudi sa amputacijom ispod kolena.
Sedam učesnika je prošlo AMI proceduru, dok su ostali imali standardne amputacije. Korisnici AMI sistema povećali su brzinu hoda za oko 40 procenata, sa 1,26 metara u sekundi na 1,78 metara u sekundi, što je brzina uporediva sa onima koji nemaju amputaciju.
Produženje kostiju
Najčešće pritužbe korisnika proteza odnose se na bol i nelagodnost. Glavni izvor nelagodnosti je tačka pričvršćivanja. „Mnogi problemi sa upotrebom proteza povezani su sa ležištem“, kaže bioinženjerka Sindi Čestek sa Univerziteta Mičigen u En Arboru. Meko tkivo je loše prilagođeno za prenos opterećenja na deo tela koji je stvoren za taj posao — kosti.
Rezultujući napor može uzrokovati oštećenje tkiva i, neizbežno, nelagodnost, ponekad dovodeći korisnike do napuštanja svojih uređaja. Tehnika zvana osseointegracija koristi činjenicu da određeni metali formiraju vezu sa kosti. Titanijumski šraf umetnut u skelet fiksira protezu na mestu, pružajući veću snagu, stabilnost i udobnost. „Postoji razlog zašto imamo skelete“, kaže Čestek.
Procedura je prvi put izvedena 1990. godine
Procedura je prvi put izvedena 1990. godine, ali nije postala široko prihvaćena i klinički dostupna sve do protekle decenije. Jedan implant sistem, nazvan OPRA, dobio je odobrenje američke Uprave za hranu i lekove 2020. godine.
Glavni nedostatak je što titanijumski šraf mora proći kroz kožu, stvarajući stalnu rupu koja nosi rizik od infekcija. „Osim rizika od infekcija, oseointegracija je bolja u svim aspektima“, kaže Čestek.
Preusmeravanje nerava
Bioničari već dugo pokušavaju da se povežu sa nervima u telu kako bi kreirali proteze koje komuniciraju sa mozgom. Međutim, rani pokušaji bili su frustrirajući, uglavnom zbog toga što su signali koje nervi prenose vrlo slabi.
„Ljudi su decenijama pokušavali da dobiju značajne signale od [postavljanja] žice unutar nerava“, kaže Čestek. „Do danas je to skoro nemoguće izvan kontrolisanih laboratorijskih uslova.“
Moderni bionički protetski uređaji uglavnom komuniciraju sa mišićima. Kada ih nervi aktiviraju, mišići emituju mnogo jače električne signale, koje elektrode na koži mogu da prepoznaju, a zatim kontrolišu protetički ud.
Međutim, nervi koji su prethodno upravljali delovima izgubljenog uda – i koji bi sličnom efikasnošću mogli da upravljaju veštačkim udom – obično ne završavaju u mišićima. Oni nemaju odredište, što stvara neurome, čvoriće na krajevima nerava čije električno „iskrenje“ izaziva bol.
Procedura nazvana ciljana reinerveracija mišića (TMR) rešava ovaj problem
Hirurg uklanja mišiće sa njihovih prirodnih nerava i preusmerava presečene nerve na ovu sveže očišćenu površinu. Preusmereni nervi tokom vremena rastu u mišiće, koji deluju kao pojačavači, stvarajući izvore potrebnih kontrolnih signala.
„Od problema snimanja nerva napravite problem snimanja mišića“, kaže Čestek. „Snimanje mišića je lako.“ Procedura takođe leči bol izazvan neuromom – to je često i razlog zbog kojeg se izvodi.
Mana TMR-a je što „kanibalizuje“ postojeće mišiće, ograničavajući broj signala koji mogu da se kreiraju. „Brzo ostanete bez prostora“, kaže Čestek. Ovo je posebno važno kod amputacija iznad kolena ili lakta, gde ima manje preostalih mišića i više zglobova proteze kojima treba upravljati.
Šta je RPNI?
Nova tehnika, poznata kao regenerativni periferni nervni interfejs (RPNI), hirurški umeće male mišićne graftove uzete sa drugog mesta i preusmerava nerve na njih. Hirurzi zatim mogu da rastave ove nervne snopove na njihove pojedinačne vlakna kako bi iskoristili nove ciljeve graftova, omogućavajući istraživačima da kreiraju onoliko signala koliko im je potrebno, kaže Čestek.
Međutim, mala veličina mišićnih graftova otežava prepoznavanje signala sa njih korišćenjem površinskih elektroda. „Ne možete lako snimati [električne signale] sa trocentimetarskog komada mišića kroz kožu“, kaže Čestek.
„Morate koristiti ugrađene elektrode.“ Ovo je invazivnije, a implantati se suočavaju sa regulatornim preprekama, ali ugrađene elektrode proizvode kvalitetnije signale. One samo moraju nekako biti dostupne, jer provođenje žica kroz kožu nije održivo izvan laboratorijskih istraživanja.
Kombinacija RPNI-ja i oseointegracije
Neki istraživači rade na bežičnim sistemima, ali drugo rešenje je kombinacija RPNI-ja sa oseointegracijom. U ovom slučaju, žice između ugrađenih elektroda i proteze jednostavno prolaze kroz titanijumski vijak. Studija objavljena prošle godine opisala je bioničku ruku iznad lakta koja koristi ovaj pristup, omogućavajući korisniku da kontroliše svaki prst svoje robotske ruke.
Obnova tela
U njegovoj laboratoriji za anatomiju na UCLA, Klajts kaže: „Imam devet ili deset aktivnih saradnji sa hirurzima na različitim projektima.“ Ovde, on i njegov tim koriste kadavere da testiraju ideje i prikupljaju podatke.
„Montiramo udove kadavera na manipulator i procenjujemo sisteme koje razvijamo kako bismo bili sigurni da rade kako je planirano“, kaže Klajts. „To je osnova onoga što radimo.“
Nova metoda pričvršćivanja
Jedan od projekata u razvoju je nova metoda pričvršćivanja koja izbegava trajnu rupu koja dolazi sa oseointergracijom. Umesto titanijumskog vijka, u ud se ugrađuje čelični komad, a u utičnici proteze elektromagnet.
„Taj magnet drži utičnicu na udu“, kaže Klajts, „a zatim možete kontrolisati koliko atraktivne sile ima promenom struje kroz taj elektromagnet.“ Utičnica ne mora da nosi težinu; magnetska sila obavlja taj posao, menjajući se iz trenutka u trenutak prema potrebama, kao što su hodanje ili stajanje.
Nedavno testiranje bioničkih nogu zasnovano na AMI-u
Na MIT-u, Her takođe radi na novom napretku. Nedavno testiranje bioničkih nogu zasnovanih na AMI-u koristilo je elektrode na koži za usmeravanje signala iz mišića ka protetičkim zglobovima. Međutim, površinske elektrode imaju nedostatke, poput izobličenja signala usled pokreta.
Nova tehnika — nazvana magnetomikrometrija — uključuje postavljanje magnetnih kuglica unutar mišića i praćenje njihovog kretanja pomoću magnetometara. „Uz ove magnete“, kaže Her, „možemo meriti ono što nam je bitno i koristiti to za direktno upravljanje bioničkom protezom.“ Komercijalni proizvod će postojati za otprilike pet godina, kaže on.
Za Hera su takvi napreci lični
Obe njegove noge su amputirane ispod kolena nakon nesreće prilikom planinarenja pre 42 godine. On razmišlja o nadogradnji na bioničke noge zasnovane na AMI-u u narednim godinama. Kada ove tehnike budu usavršene, predviđa ogroman napredak. „Kada spojite hirurške tehnike poput AMI-ja i RPNI-ja sa nečim poput magnetomikrometrije, verujemo da će to biti kraj igre“, kaže Her. „Verujemo da će postojati holivudska verzija robotskih udova kontrolisanih mozgom.“
Dodatna prednost vraćanja propriocepcije, zajedno sa drugim vrstama senzornih povratnih informacija poput dodira, jeste što čini da korisnici osećaju da je proteza deo njih. „Cilj u ovoj oblasti je da, kada radimo robotsku rekonstrukciju, osoba kaže: ‘O moj Bože, vratio si mi telo.’“ kaže Her. „Umesto robotskog alata, vraćamo im ceo ud. Ova oblast je vrlo blizu tog cilja.“
