Нейромышечно-скелетный интерфейс повысил качество жизни с бионическим протезом

Команда инженеров и врачей из нескольких стран разработала нейромышечно-скелетный интерфейс для подключения бионического протеза к культе руки пациента. Благодаря непосредственному подключению к мышечной, нервной и скелетной тканям через имплантаты удается добиться высокой степени надежности и контроля над бионической конечностью. Интерфейс помог участвовавшей в исследовании пациентке успешно использовать бионический протез в повседневной жизни в течение трех лет, снизить фантомные боли и повысить качество жизни. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Многие современные бионические протезы управляются с помощью миоэлектрических сигналов — электрических потенциалов, образующихся в оставшихся в культе мышцах, когда человек пытается мысленно совершить какое-либо действие уже утраченной конечностью. Эти сигналы обычно считываются с закрепленных на коже электродов, однако помимо полезного сигнала зачастую регистрируется большое количество шумов и паразитных электрических потенциалов, не имеющих отношения к работе мышц, и тем самым затрудняющих управление протезом.

Другая проблема связана со способом крепления протеза. Внешнее крепление на культе часто приводит к сдавливанию, вызывая у пациентов дискомфорт и ограничивая возможность полноценного повседневного использования протеза. В связи с этим врачи и инженеры давно пытаются разработать более надежные варианты крепления протезов и способов управления ими.

Существенного прогресса в этой области удалось достигнуть группе инженеров и врачей под руководством Макса Ортиза-Каталана (Max Ortiz-Catalan) из Центра изучения бионики и боли при Мёльндальском госпитале в Швеции. Они разработали нейромышечно-скелетный интерфейс, который позволяет использовать сохранившиеся в культе мышцы, нервы и кости для подключения бионического протеза через интегрированные имплантаты.

Основой интерфейса служат два титановых имплантата в виде стержней, которые одной стороной интегрируются в остатки лучевой и локтевой костей и используются в качестве силового элемента, на котором крепится съемный протез. Благодаря остеоинтеграции удается увеличить передаваемые между рукой и протезом механические нагрузки и повысить комфорт от его использования. Титановые имплантаты также содержат встроенные коннекторы, через которые в обе стороны передаются электрические сигналы.

Для управления движениями протеза используются миоэлектрические сигналы, получаемые от электродов, которые подключаются непосредственно к остаткам мышц, а также к локтевому, лучевому и срединному нервам. Остатки нервной ткани дополнительно расщепляются для получения большего количества сигналов, с помощью которых можно управлять различными движениями протеза. В качестве усилителя сигналов от нервов используются кусочки трансплантированной мышечной ткани. К части нервов также подключаются электроды, по которым передаются сигналы в обратном направлении — от сенсоров протеза. Они создают обратную связь, которая, например, позволяет пациенту ощущать усилие, прилагаемое к предмету указательным и большим пальцами искусственной руки.

Бионический протез может сгибать и другие пальцы, позволяя, например, захватывать предметы или показывать жесты. Благодаря тому, что он содержит внутри корпуса все необходимые для функционирования компоненты, включая аккумулятор, его можно полноценно использовать в бытовых условиях для выполнения повседневных задач.

В исследовании возможностей интерфейса участвовала пациентка с ампутированной в результате травмы правой рукой ниже локтевого сустава. Она успешно использовала бионический протез с нейромышечно-скелетным интерфейсом на протяжении трех лет. Проводимые на протяжении этого времени регулярные тесты, включающие выполнение ряда заданий разной сложности, например, упаковку вещей в сумку, перемещение контейнеров или манипуляции с мелкими предметами, такими как монеты, указывают на рост контроля над бионическим протезом. Кроме этого отмечается уменьшение фантомных болей и повышение общего качества жизни пациентки.

Ранее мы рассказывали о сложностях, возникающих при попытках перестройки обратной связи между протезом и рукой. С ними столкнулись шведские и американские исследователи, которые выяснили, что подключение сенсора, расположенного на большом пальце бионического протеза, к периферическому нерву, отвечающему за чувствительность другого участка ладони, не приводит к «перепрошивке» нервной системы даже по прошествии длительного времени.