Ученые создали бионическую ногу, управляемую сигналами от нервов пациента с ампутированной конечностью. Связь между мышцами, центральной нервной системой и протезом осуществляется через мозговой чип, дающий возможность пациентам ощущать положение протеза в пространстве.
Уже разрабатываются бионические ноги, которые облегчат передвижение людям, которым ампутировали конечности. Такие устройства работают по предопределенным архитектурам управления, то есть используют заранее выбранные алгоритмы для побуждения к ходьбе. Эти алгоритмы реализуются протезами и взаимодействуют с датчиками.
На данный момент бионические ноги не достигли уровня универсальности и быстроты реакции настоящей ноги, так как управлять ими не может нервная система (по крайней мере, напрямую). В результате движения получаются неуклюжими, а возможности для перемещения ограничены.
Для преодоления этих ограничений были предложены прототипы нейропротезов ног, полностью управляемых нервной системой.
Прототипы могли бы обеспечить биомеханические возможности, сравнимые с естественными конечностями.
Разработка столкнулась с серьезными трудностями, вызванными в основном нейромеханической сложностью ног.
Движение всего телом возможно только благодаря сложной и безупречной координации афферентных сигналов от сенсорных рецепторов периферической нервной системы и эфферентных сигналов от центральной нервной системы к мышцам.
В Массачусетском технологическом институте (MIT) ученые продемонстрировали новую возможность для пациентов с протезами ног: естественную походку при полном управлении протезом нервной системой. Эта процедура подразумевает пересоединение мышц культи пациента, что обеспечивает полный нейронный контроль над протезом и проприоцептивную обратную связь, позволяющую ощущать положение различных частей тела без использования зрения. Работа проводилась совместно с Гарвардской медицинской школой и Женской больницей Бригама.
«Это первый в истории случай, когда изучалось воздействие протеза ноги на нервную систему человека с применением биомеханического подхода. — сообщил Хью Херр, исследователь бионики из Массачусетского технологического института и автор нового исследования, опубликованного в журнале. . «До сих пор никто не достиг такого уровня нейроконтроля, при котором возник бы естественный шаг под управлением человеческой нервной системы, а не алгоритмов робота. «, — добавляет он.
Восстановление чувствительности ног.
В основном конечности управляются парами мышц, прикрепленными к каждой кости, которые поочередно растягиваются/сокращаются в зависимости от движения. При ампутации костей ниже колена связь между этими мышцами нарушается из-за потери тканей. Из-за этого мозгу трудно воспринимать положение и скорость сокращения мышц. Эта информация необходима мозгу для оценки того, как двигать конечностью.
Несмотря на протезы, пациенты не могут точно контролировать движения из-за нарушений. Новый подход, названный «агонист-антагонист мионеврального интерфейса» (AMI), предполагает соединение концов поврежденных мышц, чтобы они продолжали координированно взаимодействовать в культе. Процедура может быть проведена во время ампутации или после первичной ампутации в рамках ревизионной процедуры.
Исследования показали, что пациентам после процедуры удаётся лучше контролировать мышцы отсоединенной конечности. Восстановленные мышцы также вырабатывают электрические импульсы, подобные тем, которые излучает нетронутая конечность.
Получив обнадеживающие результаты, следующим шагом стало изучение возможности управления протезом электрическими сигналами, вырабатываемыми восстановленными мышцами. Такая проприоцепция позволяла бы пользователю с помощью нейронной обратной связи добровольно корректировать движения и походку.
На 47 % увеличилась скорость ходьбы
В эксперименте приняли участие семь человек, перенесших ампутацию коленного сустава. Новая разработка имеет приводную лодыжку и электроды, регистрирующие электрические импульсы мышц передней большеберцовой и гастрокнемической (их соединение образует икроножную группу). Сигналы передаются на интерфейс управления, позволяющий протезу определять угол сгибания лодыжки, крутящий момент и силу для приложения.
Участники прошли серию испытаний: движение по ровной площадке на расстояние 10 метров, подъём по уклону, спуск по пандусу, подъем и спуск по лестнице, а также перемещение по ровной поверхности с обходом преград.
Исследователи установили, что пациенты с протезом AMI ходили на 47 % быстрее, чем те, кто пользовался обычными протезами. Такая скорость приближалась к скорости здоровых людей. Участники также демонстрировали более плавные и естественные движения, легче преодолевали препятствия и могли оказывать на землю усилие, равное силе неампутантов.
Естественные движения наблюдались даже при низкой (менее 20%) степени сенсорной обратной связи от протеза. Данная разработка является новым шагом в показе потенциала восстановления функций у людей с серьёзными повреждениями конечностей. — подводит итог Мэтью Карти, хирург из больницы Бригама и Женщин, а также соавтор исследования.