Ingenjörer skapar bionic arm som återställer naturliga beteenden hos patienter

Forskare vid Cleveland Clinic har utvecklat en ny bionic arm som återställer naturliga beteenden hos patienter med amputerade överlemmar. Teknologin är den första i sitt slag, och forskningen publicerades i Science Robotics.

Det internationella forskarteamet kombinerade tre viktiga funktioner i den bioniska systemet: intuitiv motorstyrning, beröring och greppkinestesi. Den sistnämnda är känslan av att öppna och stänga handen.

Teamet, som leddes av Cleveland Clinic, inkluderade också forskare från University of Alberta och University of New Brunswick.

Paul Marasco, Ph.D, är huvudutredare och biträdande professor vid Cleveland Clinic Lerner Research Institutes avdelning för biomedicinsk teknik.

“Vi modifierade en standardprotes med detta komplexa bioniska system som möjliggör för användarna att flytta sin protesarm mer intuitivt och känna beröring och rörelse samtidigt”, sa Dr. Marasco. “Dessa fynd är ett viktigt steg mot att ge människor med amputation fullständig återställning av naturlig armfunktion.”

Det bioniska systemet

Det nyligen utvecklade systemet är det första som testar alla tre sensoriska och motoriska funktioner samtidigt i en neural-maskin-gränssnitt i en protesarm. Det neurala-maskin-gränssnittet kan ansluta till användarens lemnerv och möjliggör för patienter att skicka nervimpulser från hjärnan till protesen. De kan också ta emot fysisk information från miljön, som kan skickas tillbaka till deras hjärna via deras nerver.

Den artificiella armen har dubbelriktad återkoppling och styrning, och detta är vad som möjliggör för användarna att utföra vissa uppgifter på samma nivå som icke-funktionshindrade individer.

Dr. Marasco leder Laboratory for Bionic Integration.

“Kanske var vad vi var mest spända på att lära var att de fattade beslut, gjorde bedömningar och beräknade och korrigera för sina misstag som en person utan amputation”, sa Dr. Marasco. “Med den nya bioniska lemmen, betedde sig människor som om de hade en naturlig hand. Vanligtvis är dessa hjärnbeteenden mycket annorlunda mellan människor med och utan överlemproteser.”

Testning av den bioniska armen

Den bioniska armen testades på två studiedeltagare med amputerade överlemmar. Individerna hade tidigare genomgått riktad sensorisk och motorisk reinnervation, som omdirigerar amputerade nerver till återstående hud och muskler för att etablera ett neuralt-maskin-gränssnitt.

Forskarna måste nu expandera på arbetet eftersom studiestorleken var så liten.

Deltagarna bar den avancerade protesen medan de utförde uppgifter som reflekterade grundläggande beteenden, eller sådana som kräver hand- och armfunktionalitet. Forskarna utvärderade sedan prestationen genom avancerade utvärderingsverktyg och fann att deltagarnas hjärn- och beteendestrategier förändrades. De var då på samma nivå som de för en individ utan amputation.

Deltagarna kunde utföra beteenden utan att behöva titta på protesen, och de kunde korrigera för misstag mer effektivt.

“Under de senaste tio eller tjugo åren har framstegen inom proteser hjälpt användare att uppnå bättre funktionalitet och hantera dagligt liv på egen hand”, sa Dr. Marasco. “För första gången kan människor med amputerade överlemmar nu åter “tänka” som en frisk person, vilket kan erbjuda protesanvändare nya nivåer av sömlös återintegration i dagligt liv.”