Ingeniører utvikler bionisk arm som gjenoppretter naturlig atferd hos pasienter

Forskere ved Cleveland Clinic har utviklet en ny bionisk arm som gjenoppretter naturlig atferd hos pasienter med amputasjoner i overekstremitetene. Teknologien er av en ny type, og forskningen ble publisert i Science Robotics.

Det internasjonale forskningsteamet kombinerte tre viktige funksjoner i den bioniske systemet: intuitiv motorisk kontroll, berøring og gripkinestesi. Den siste av de tre er følelsen av å åpne og lukke hånden.

Teamet, som ble ledet av Cleveland Clinic, inkluderte også forskere fra University of Alberta og University of New Brunswick.

Paul Marasco, Ph.D, er hovedforsker og assosiert professor ved Cleveland Clinic Lerner Research Institutes avdeling for biomedisinsk ingeniørvitenskap.

“Vi modifiserte en standard prostese med dette komplekse bioniske systemet som muliggjør at bærerne kan bevege sin prostetiske arm mer intuitivt og føle berøring og bevegelse samtidig,” sa Dr. Marasco. “Disse funnene er et viktig skritt mot å gi mennesker med amputasjoner fullstendig gjenoppretting av naturlig armfunksjon.”

Det bioniske systemet

Det nylig utviklede systemet er det første som tester alle tre sanse- og motoriske funksjoner samtidig i en neural-maskin grensesnitt i en prostetisk arm. Det neurale-maskin grensesnittet kan koble seg til bærerens limbnerver, og det muliggjør at pasientene kan sende nerveimpulser fra hjernen til den prostetiske armen. De kan også motta fysisk informasjon fra omgivelsene, som kan sendes tilbake til hjernen deres via nervene.

Den kunstige armen har toveis tilbakemelding og kontroll, og dette er det som muliggjør at bærerne kan utføre visse oppgaver på lik linje med ikke-funksjonshemmede personer.

Dr. Marasco leder Laboratory for Bionic Integration.

“Kanskje det vi var mest spente på å lære var at de tok beslutninger, avgjorde og beregnede og korrigerte for feilene sine som en person uten amputasjon,” sa Dr. Marasco. “Med den nye bioniske lem, oppførte menneskene seg som om de hadde en naturlig hånd. Vanligvis er disse hjernens atferd meget forskjellige mellom mennesker med og uten overekstremitetsproteser.”

Testing av den bioniske armen

Den bioniske armen ble testet på to studiepersoner med overekstremitetsamputasjoner. Personene hadde tidligere gjennomgått målrettet sanse- og motorisk reinnervasjon, som omdirigerer amputerte nerver til gjenværende hud og muskler for å etablere et neuralt-maskin grensesnitt.

Forskerne må nå utvide arbeidet siden studiestørrelsen var så liten.

Deltagerne brukte den avanserte protesen mens de utførte oppgaver som reflekterte grunnleggende atferd, eller oppgaver som krever hånd- og armfunksjonalitet. Forskerne vurderte deretter ytelsen gjennom avanserte vurderingsverktøy og fant at deltakernes hjernens og atferdsmessige strategier endret seg. De var deretter på lik linje med de til en person uten amputasjon.

Deltakerne kunne utføre atferd uten å måtte se på protesen, og de kunne korrigere feilene mer effektivt.

“I løpet av det siste tiåret eller to, har fremgangen i proteser hjulpet bærerne til å oppnå bedre funksjonalitet og håndtere daglig liv på egen hånd,” sa Dr. Marasco. “For første gang er mennesker med overekstremitetsamputasjoner nå i stand til å tenke som en person uten funksjonsnedsettelse, noe som kan tilby protesebærerne nye nivåer av ubrutt integrasjon tilbake i daglig liv.”