Onderzoekers ontwikkelen een hersenaangedreven prothese voor mensen met beenamputaties

“We waren in staat om de eerste volledige neurale controle van kunstmatig lopen aan te tonen”, zegt Hyungyun Song, eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker aan het MIT.

De meeste moderne prothetische ledematen vertrouwen op voorgeprogrammeerde robotcommando’s in plaats van op de hersensignalen van de gebruiker. Geavanceerde robottechnologieën kunnen de omgeving waarnemen en herhaaldelijk een vooraf bepaalde beenbeweging activeren om iemand te helpen over dit soort terrein te navigeren.

Maar veel van deze robots werken het beste op een vlakke ondergrond en hebben moeite met het overwinnen van veelvoorkomende obstakels zoals hobbels of plassen. De persoon die de prothese draagt, heeft vaak weinig inspraak bij het afstellen van de prothese als deze eenmaal in beweging is, vooral als hij reageert op plotselinge veranderingen in het terrein.

“Als ik loop, voelt het alsof ik loop omdat het algoritme commando’s naar de motor stuurt, en dat doe ik niet”, zegt Hugh Hare, hoofdonderzoeker van het onderzoek en hoogleraar mediakunst en -wetenschappen aan het MIT. Een pionier op het gebied van biomechatronica, een vakgebied dat biologie combineert met elektronica en mechanica. De benen van Herr zijn enkele jaren geleden onder de knie geamputeerd vanwege bevriezing, en hij maakt gebruik van geavanceerde robotprothesen.

“Er is een groeiend aantal bewijzen [showing] “Wanneer je de hersenen verbindt met een mechatronische prothese, vindt er een belichaming plaats waarbij het individu de prothese als een natuurlijk verlengstuk van zijn lichaam beschouwt,” voegde Hare eraan toe.

De auteurs werkten met 14 deelnemers aan de studie, van wie de helft amputaties onder de knie kreeg via een aanpak die bekend staat als stimulator-antagonist myoneural interface (AMI), terwijl de andere helft traditionele amputaties onderging.

“Het leuke hieraan is dat het chirurgische innovatie combineert met technologische innovatie”, zegt Connor Walsh, professor aan de Harvard School of Engineering and Applied Science, gespecialiseerd in de ontwikkeling van draagbare hulprobots en niet betrokken bij het onderzoek.

De AMI-amputatie is ontwikkeld om de beperkingen van traditionele beenamputatiechirurgie aan te pakken, waarbij belangrijke spierverbindingen op de amputatieplaats worden doorgesneden.

Bewegingen worden mogelijk gemaakt door de manier waarop spieren in paren bewegen. Eén spier – bekend als agonist – trekt samen om een ​​ledemaat te bewegen, terwijl een andere spier – bekend als antagonist – als reactie hierop langer wordt. Tijdens een biceps-curl zijn de biceps bijvoorbeeld de antagonist omdat deze samentrekt om de onderarm omhoog te tillen, terwijl de triceps de antagonist is omdat deze langer wordt om de beweging mogelijk te maken.

Wanneer chirurgische amputatie ertoe leidt dat spierparen worden doorgesneden, wordt het vermogen van de patiënt om spiersamentrekkingen te voelen na de operatie aangetast, en als gevolg daarvan wordt zijn vermogen om nauwkeurig en goed aan te voelen waar de prothese zich in de ruimte bevindt, aangetast.

Daarentegen worden bij de AMI-procedure de spieren in het restledemaat opnieuw vastgemaakt om de waardevolle spierfeedback te reproduceren die een persoon ontvangt van het intacte ledemaat.

De studie maakt “deel uit van een beweging voor de volgende generatie prothetische technologieën die zich richten op sensatie, en niet alleen op beweging”, zegt Eric Rombukas, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Washington, die niet bij het onderzoek betrokken was.

De AMI-procedure voor amputatie onder de knie is vernoemd Peter Ewing Na Jim Ewing, de eerste persoon die de procedure in 2016 onderging.

Patiënten die een Ewing-amputatie ondergingen, ervoeren minder spieratrofie in hun resterende ledemaat en minder fantoompijn, het gevoel van ongemak in een ledemaat dat niet meer bestaat.

De onderzoekers voorzagen alle deelnemers van nieuwe prothesen, bestaande uit een kunstenkel, een apparaat dat de elektrische activiteit meet van spierbewegingen en elektroden die op het huidoppervlak worden geplaatst.

De hersenen sturen elektrische impulsen naar de spieren, waardoor deze samentrekken. Contracties produceren hun eigen elektrische signalen, die worden gedetecteerd door elektroden en naar kleine computers op de prothese worden gestuurd. Computers zetten deze elektrische signalen vervolgens om in kracht en beweging voor het prothetische ledemaat.

Amy Pietravita, een van de deelnemers aan de studie die een Ewing-amputatie onderging na ernstige brandwonden, zei dat het bionische ledemaat haar de mogelijkheid gaf haar voeten te geleiden en opnieuw dansbewegingen uit te voeren.

“De mogelijkheid om zo’n kromming te hebben maakte het realistischer en het voelde alsof alles aanwezig was”, zei Pietrafitta.

Dankzij verbeterde spiersensaties konden deelnemers die een Ewing-operatie ondergingen hun prothese gebruiken om sneller en natuurlijker te lopen dan degenen die traditionele amputaties ondergingen.

Wanneer iemand moet afwijken van het normale looppatroon, moet hij meestal harder werken om zich te verplaatsen.

“Dit energieverbruik… zorgt ervoor dat ons hart harder werkt en dat onze longen harder werken… en kan leiden tot progressieve vernietiging van de heupgewrichten of de onderrug.

Patiënten die de amputatie van Ewing en de nieuwe prothese ondergingen, konden ook gemakkelijk over hellingen en trappen navigeren. Ze konden hun voeten soepel aanpassen om zichzelf de trap op te stuwen en schokken te absorberen tijdens het afdalen.

De onderzoekers hopen dat de nieuwe prothese binnen vijf jaar commercieel verkrijgbaar zal zijn.

“We beginnen een glimp op te vangen van deze glorieuze toekomst waarin iemand een aanzienlijk deel van zijn lichaam kan verliezen, en er technologie beschikbaar is om dat aspect van zijn lichaam weer volledig te laten functioneren,” zei Hare.