Połączenie człowieka z maszyną. Bioniczna proteza zintegrowana z układem kostnym i nerwowym

Pochodząca ze Szwecji kobieta 20 lat temu uległa wypadkowi, w wyniku którego straciła rękę. Kilka lat temu otrzymała nowego rodzaju protezę kończyny, która została połączona z jej układem kostnym i nerwowym. Bioniczna proteza okazała się bardzo wygodna w użytkowaniu i zachowała funkcjonalność nawet po kilku latach codziennego użytkowania. Co więcej, pomogła złagodzić bóle fantomowe, na które kobieta cierpiała od czasu wypadku.

Kobieta nazwana na potrzeby publikacji Karin (jej prawdziwe dane nie zostały podane do wiadomości publicznej), ponad 20 lat temu uległa wypadkowi podczas prac rolniczych. Lekarze zmuszeni byli amputować jej prawą rękę poniżej łokcia. Po tym wydarzeniu kobieta zaczęła odczuwać bóle fantomowe. - Czułam się, jakbym ciągle trzymała rękę w maszynce do mięsa, co powodowało duży stres. Musiałam brać duże dawki różnych środków przeciwbólowych - przyznała.

Od tamtego czasu próbowała różnych protez, ale, jak oceniła, były one niewygodne i zawodne i niewiele pomagały w życiu codziennym. Wszystko uległo zmianie, gdy otrzymała nowego rodzaju bioniczną protezę zintegrowaną z układem kostnym poprzez osteointegrację oraz z układem nerwowym za pomocą elektrod wszczepionych w nerwy i mięśnie.

Nowa proteza okazała się wygodna i funkcjonalna. Daje możliwość poruszania wszystkimi pięcioma bionicznymi palcami z dużą skutecznością i pozwala na pewne doznania czuciowe, ale w ograniczonym stopniu. Co więcej, integracja protezy z kikutem kończyny złagodziła ból. Protezę ręki nazwano Mia Hand i opracowała ją włoska firma Prensilia, specjalizująca się w urządzeniach robotycznych i biomedycznych.Przypadek 50-latki wraz z opisem prac nad bioniczną kończyną ukazał się na łamach pisma "Science Robotics" (DOI: 10.1126/scirobotics.adf7360).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wiele osób po amputacji ma trudności z przystosowaniem się do konwencjonalnej protezy. Mocowanie sztucznej kończyny do kikutu może po kilku godzinach użytkowania powodować ból. Do tego kontrola starego typu protez też nie jest najlepsza. Podobnie było w przypadku Karin.

Zespół inżynierów i chirurgów ze Szwecji, Włoch i Australii, którym kierował prof. Max Ortiz Catalan z Instytutu Bioniki w Australii i założyciel Centrum Bioniki i Badań nad Bólem w Szwecji, rozwiązał te problemy opracowując interfejs człowiek-maszyna, który umożliwia wygodne przymocowanie protezy do szkieletu użytkownika poprzez osteointegrację, a jednocześnie umożliwia połączenie elektryczne z układem nerwowym za pomocą elektrod wszczepionych w nerwy i mięśnie.

50-latka otrzymała protezę trzy lata temu. Od tego czasu sztuczna kończyna jest w ciągłym użyciu. Gdy ją zakładano, była to jedyna w swoim rodzaju proteza. Nie było innych dostępnych tego typu rozwiązań zapewniających podobną funkcjonalność.

- Karin była pierwszą osobą po amputacji poniżej łokcia, która otrzymała nową protezę wysoce zintegrowanej bionicznej ręki. Fakt, że była w stanie wygodnie i skutecznie korzystać ze swojej protezy w codziennych czynnościach jest obiecującym świadectwem potencjalnych możliwości zmiany życia osób po amputacjach dzięki tej nowatorskiej technologii – powiedział Ortiz Catalan.

Karin, jak sama przyznała, z bioniczną protezą może wykonywać około 80 proc. tego, co zwykle robiła jeszcze przed wypadkiem. Chodzi przede wszystkim o zwykłe codzienne czynności, takie jak przygotowywanie posiłków, podnoszenie przedmiotów czy zapinanie i rozpinanie ubrań.

Co najważniejsze, po otrzymaniu protezy, rozdzierający ból fantomowy znacznie się zmniejszył. - Mam lepszą kontrolę nad moją protezą, ale przede wszystkim zmniejszył się ból. Dzisiaj potrzebuję znacznie mniej leków przeciwbólowych – przyznała Karin.

Jak wyjaśnił Ortiz Catalan, Karin wykorzystuje do kontrolowania protezy te same zasoby neuronowe, co w przypadku brakującej części ręki i to dlatego odczuwa mniejszy ból.

Kluczową cechą nowej technologii jest mocowanie protezy poprzez osteointegrację – proces, w którym tworzy się strukturalne i czynnościowe połączenie między kością a wszczepem. Tlen z tkanki kostnej tworzy na powierzchni tytanowej protezy warstwę dwutlenku tytanu. Na niej z kolei tworzy się nowa tkanka kostna. Przygotowane w ten sposób mocowanie pełni rolę trwałej kotwicy dla protezy, którą można następnie łatwo przymocować i zdjąć. Proces osteointegracji jest szeroko stosowany w implantach stomatologicznych. - Ta integracja jest tak silna, że możemy faktycznie przymocować sztuczną kończynę bezpośrednio do szkieletu – wyjaśnił Ortiz Catalán.

Proteza Karin jest przymocowana do jej układu kostnego za pomocą wszczepów w kość łokciową i promieniową. Do nich przyczepiono mięśnie pobrane z jej nogi, dzięki czemu odcięte mięśnie i nerwy w kikucie ramienia mogły się ponownie zintegrować. W przeszczepione mięśnie uczeni uprzednio wszczepili elektrody wzmacniające sygnały docierające z mózgu do protezy. Algorytmy sztucznej inteligencji wewnątrz protezy interpretują sygnały z mózgu i pozwalają kobiecie poruszać bioniczną ręką. Ponieważ w ten proces zaangażowane są nerwy, Karin odczuwa również częściowo dotyk.

Bioniczna proteza jest całkowicie samowystarczalna. Ma wbudowany kontroler i akumulator oraz urządzenie służące do przesyłania mocy, które łączy się z interfejsem nerwowo-mięśniowo-szkieletowym. Chirurdzy, z braku miejsca w amputowanej ręce, zmuszeni byli zmienić ułożenie mięśni i nerwów w kikucie. Wyeliminowali także zdezorganizowaną grupę włókien nerwowych, które zwijają się na końcu nerwu podczas jego przecięcia. Według autorów publikacji, mogą one powodować część bólu fantomowego po utracie kończyny.

- Nadal nie jesteśmy nawet blisko wszystkich funkcji naturalnej ręki, ale zdecydowanie zrobiliśmy znaczny krok naprzód – zaznaczył Ortiz Catalán.

Źródło: Sant'Anna School of Advanced Studies, CNN, Science Alert