Ingeniører skaber en bionisk arm, der genopretter naturlig adfærd hos patienter

Forskere ved Cleveland Clinic har konstrueret en ny bionisk arm, der genopretter naturlig adfærd hos patienter med amputationer af overekstremiteterne. Teknologien er den første af sin slags, og forskningen blev offentliggjort i Science Robotics.

Det internationale forskerhold kombinerede tre vigtige funktioner i det bioniske system: intuitiv motorstyring, berørings- og grebskinæstesi. Den sidste af de tre er fornemmelsen af ​​at åbne og lukke hånden. 

Holdet, som blev ledet af Cleveland Clinic, omfattede også forskere fra University of Alberta og University of New Brunswick. 

Paul Marasco, Ph.D., er ledende efterforsker og lektor i Cleveland Clinic Lerner Research Institutes afdeling for biomedicinsk teknik. 

"Vi modificerede en standardprotese med dette komplekse bioniske system, som gør det muligt for brugere at bevæge deres armprotese mere intuitivt og føle berørings- og bevægelsesfornemmelser på samme tid," sagde Dr. Marasco. "Disse resultater er et vigtigt skridt hen imod at give mennesker med amputation fuldstændig genopretning af den naturlige armfunktion."

Det bioniske system

Det nyudviklede system er det første til at teste alle tre sensoriske og motoriske funktioner på én gang i en neural-maskine-grænseflade i en protesearm. Den neurale-maskine-grænseflade er i stand til at forbinde med bærerens lemmernerver, og den gør det muligt for patienter at sende nerveimpulser fra hjernen til protesen. De kan også modtage fysisk information fra omgivelserne, som er i stand til at blive sendt tilbage til deres hjerne gennem deres nerver.

Den kunstige arm har tovejs feedback og kontrol, og det er det, der gør det muligt for brugere at udføre visse opgaver på lige fod med ikke-handicappede personer. 

Dr. Marasco leder Laboratory for Bionic Integration.

"Måske det, vi var mest spændte på at lære, var, at de traf domme, beslutninger og beregnede og korrigerede for deres fejl som en person uden en amputation," sagde Dr. Marasco. "Med det nye bioniske lem opførte folk sig, som om de havde en naturlig hånd. Normalt er disse hjerneadfærd meget forskellig mellem mennesker med og uden proteser i overekstremiteterne."

Test af Bionic Arm

Den bioniske arm blev testet på to undersøgelsesdeltagere med amputationer af øvre lemmer. Individerne havde tidligere gennemgået målrettet sensorisk og motorisk reinnervation, som omdirigerer amputerede nerver til resterende hud og muskler for at etablere en neural-maskine-grænseflade. 

Forskerne skal nu udvide arbejdet, da undersøgelsens størrelse var så lille.

Deltagerne bar den avancerede protese, mens de udførte opgaver, der afspejlede grundlæggende adfærd, eller dem, der kræver hånd- og armfunktionalitet. Forskerne vurderede derefter præstationen gennem avancerede evalueringsværktøjer og fandt ud af, at deltagernes hjerne- og adfærdsstrategier ændrede sig. De var da på niveau med dem for en person uden en amputation. 

Deltagerne var i stand til at udføre adfærd uden at skulle se protesen, og de kunne mere effektivt korrigere for fejl.

"I løbet af det sidste årti eller to har fremskridt inden for proteser hjulpet brugere med at opnå bedre funktionalitet og klare dagligdagen på egen hånd," sagde Dr. Marasco. "For første gang er mennesker med amputationer af overekstremiteterne nu i stand til igen at 'tænke' som en rask person, hvilket står til at tilbyde protesebærere nye niveauer af problemfri reintegration tilbage i hverdagen."