Протез ноги с биологической обратной связью показался легче

Швейцарские ученые выяснили, что настройка биологической обратной связи в протезе ноги делает его субъективно легче по весу, что также улучшает и опыт ношения. Для этого они попросили добровольца с ампутированной выше колена ногой пройтись в протезе с подключенными к электродам в большеберцовом нерве сенсорами и без них. После ходьбы со включенной биологической обратной связью протез казался участнику легче примерно на полкило, а также с ним ему легче было выполнять задание с когнитивной нагрузкой: одновременно ходить и проговаривать слова в обратном порядке. Статья опубликована журнале Current Biology. 

Чтобы протез был как можно больше похож на потерянную конечность, в нем необходимо настроить биологическую обратную связь — то есть не только научить человека управлять ей, но и чувствовать. Особое внимание исследователи уделяют обратной связи в протезах рук: сенсоры на них совмещают с электродами, которые прикрепляют к оставшимся конечностям или вживляют в них так, чтобы можно было стимулировать периферийные нервы и вернуть — хоты бы частично — потерянную чувствительность уже в протезе. 

В разработке протезов ног обратной связи уделяют чуть меньше внимания, так как главная задача в их разработке — научить, подобно обычной ноге, ходить, обходить препятствия и держать равновесие. При этом обратная связь протезов ноги все же остается важной для улучшения его работы и ощущений того, кто их носит. В частности, она могла бы помочь решить проблему субъективной тяжести протеза: около 70 процентов пользователей протезов ноги выше колена жалуются на то, что устройство кажется им слишком тяжелым — даже несмотря на то, что обычно они в два раза легче их здоровой ноги.

Проверить это решил Станиса Распопович (Stanisa Raspopovic) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха: команда под его руководством уже несколько лет разрабатывает протезы ноги выше колена с биологической обратной связью. В частности, они используют стимуляцию большеберцового нерва через вживленные электроды совместно с датчиками давления в области пятки и акселерометров в области колена протеза: это позволяет пользователю ощущать то, как он сгибает протез и наступает им на землю.

В 2019 году Распопович и его коллеги уже показывали, что биологическая обратная связь уменьшает фантомные боли в ноге, увеличивает скорость ходьбы и в целом улучшает весь опыт ношения протеза. Сейчас они провели эксперимент с участием одного пользователя их протеза: его попросили пройтись в течение десяти минут либо с включенной биологической обратной связью в колене и пятке, либо с выключенной.

До прогулки участника усаживали на край койки так, чтобы обе ноги — и с протезом, и здоровая — свисали ниже колена: протезом просили не двигать, чтобы биологическая обратная связь не работала. Далее участнику закрывали глаза повязкой, а на здоровую ногу надевали гимнастические утяжелители разного веса и просили оценить, при каком утяжелении здоровой ноги обе кажутся одинаковыми по весу. Несмотря на то, что протез был легче здоровой ноги участника, равными по субъективному ощущению веса он считал протез и здоровую ногу с утяжелителем весом в два килограмма. 

После прогулки с включенной и выключенной обратной связью участнику вновь надевали утяжелители на здоровую ногу — на этот раз разные, весом от 0,5 до 3,5 килограмма. Ученые выяснили, что после прогулки с биологической обратной связью в протезе необходимый для уравнивания веса утяжелитель здоровой ноги оказался легче на 23 процента — примерно на полкило. Также участнику удалось увеличить скорость ходьбы, а его субъективное ощущение протеза как родной конечности выросло на 60,5 процента.

Далее участнику дали дополнительное задание — на этот раз с когнитивной нагрузкой: во время ходьбы его просили произнести несколько слов в обратном порядке. При включенной биологической обратной связи скорость участника при выполнении задания не снижалась (в отличие от условия без обратной связи), а также он делал на 20 процентов меньше ошибок в произношении. 

В целом, ученые в очередной раз показали важность настройки биологической обратной связи для улучшения опыта ношения протеза ноги: с включенными в области стопы и колена сенсорами протез казался легче, а также с ним оказалось намного проще одновременно ходить и выполнять задачу с дополнительной когнитивной нагрузкой.

Восстановление биологической обратной связи конечностей в протезах не обходится без ограничений, и одно из них, как недавно выяснили ученые, заключается в том, что сенсорные ответы человеческого тела довольно консервативны: даже при длительном ношении протеза руки чувствительность одного места нельзя перенести на другое.

Елизавета Ивтушок