Умные протезы с каждым годом становятся всё совершеннее. Но так или иначе улучшение технологии для искусственных конечностей всегда сводится к работе над двумя параметрами: имитацией чувствительности и полноценным контролем за каждым пальцем. Недавно в журнале Science Translational Medicine вышло две новые статьи, рассказывающие о достижениях в обеих этих сферах.
Исследователи разработали методики управления искусственными конечностями, которые сочетают в себе прогресс как в развитии технологии тактильной обратной связи, так и в исполнении двигательных команд. По словам разработчиков, их достижение помогает преодолеть основные ограничения в использовании "умных" протезов.
Как правило, подобные устройства приводятся в движение электроникой, которая регистрирует движения мышц пользователя, и отдаёт сигнал к совершению аналогичных движений протезом. Также прежде уже предпринимались попытки придать искусственным конечностям чувствительность посредством подключения электродов устройства к нервам пациента.
Учёные пытались заменить недостающие тактильные ощущения, стимулируя оставшиеся нервы пациента регулярными тренировками: электрический импульс подавался с различной интенсивностью, когда протез касался тех или иных предметов. Тогда испытуемые сообщали об ощущении покалывания, которое обеспечивало им обратную связь с миром, однако многие посчитали, что такие неестественные ощущения покалывания могут стать настоящей проблемой в долгосрочной перспективе.
Нейроинженер Дастин Тайлер (Dustin Tyler) и его коллеги из Западного резервного университета Кейза в своей работе достигли максимальных результатов как в обеспечении чувствительности, так и в мастерстве управления искусственной конечностью. Заменить неприятное покалывание от электрических импульсов стало возможным благодаря особой методике "узорных импульсов", которые различаются по интенсивности по ходу времени.
В рамках эксперимента исследователи прикрепили датчики давления к каждому пальцу "умных" протезов добровольцев. Сигналы датчиков могут быть переведены в электрические импульсы особого порядка, которые помогают воспроизвести то или иное тактильное ощущение. Различные модели стимулирования вызывали разные чувства, в том числе и постукивания, постоянного давления, лёгкого или движущегося прикосновения.
Далее Тайлер и его команда решили проверить, могут ли эти ощущения помочь в дополнительном контроле над протезами. Для этого добровольцев попросили использовать свою роборуку, чтобы оторвать стебельки от вишен. Обычно пациенты с ампутированными конечностями испытывают трудности в исполнении таких тонких задач, поскольку не могут понять, стоит ли им нажимать сильнее или слабее на предмет.
Результаты эксперимента показали, что без применения технологии обратной связи пациенты смогли успешно очистить лишь 77% вишен, тогда как с тактильной обратной связью процент успеха вырос до 100.
Несмотря на громкий успех эксперимента, технология по-прежнему связана с определёнными рисками для пациентов. К примеру, для подключения нервов человека к стимулятору носители протеза должны имплантировать себе электроды в верхней части рук, при этом оставив некоторые соединения на поверхности кожи. Таким образом возрастает риск занесения инфекции или повреждения электрода.
"Двое участников наших испытаний оказались достаточно осторожными и проносили свои электроды на протяжении двух лет. Но мы понимаем, что это проблема, и пытаемся уменьшить электрод до таких размеров, чтобы его можно было вживлять под кожу, подобно кардиостимулятору", — рассказывает Тайлер, ведущий автор исследования и соавтор первой статьи.
Что же касается второй разработки, то она принадлежит команде из Технического университета Чалмерса в Гётеборге, Швеция, которую возглавлял биоинженер Макс Ортис Каталан (Max Ortiz Catalan). Учёные сообщили в своей статье о существенном прогрессе в области технологии полного контроля над искусственными конечностями.
Как мы уже упомянули, обычные системы управления протезами подразумевают считывание мышечной активности как намерений о совершении движений, в дальнейшем эти сигналы интерпретируются как руководство к действию. Поскольку импульсы можно считывать через кожу, методика является неинвазивной. Но слои ткани и кожи между мышцами и датчиками искажают двигательный сигнал, замедляя управляемость протеза. Соответственно, внешние электроды могут оказаться ещё менее эффективными.
Чтобы получить мышечные сигналы напрямую, Ортис Каталан и его коллеги изучили умные протезы. Искусственная конечность подсоединяется к кости пациента через титановый соединительный элемент. Костная ткань, как правило, хорошо развивается и вырастает вокруг винта, что значительно отличает новую технологию протезирования от старой, где конечность крепится на петлеобразное соединение.
В рамках эксперимента Ортис Каталан и его команда отправили отводящие электроды через разъём, протолкнули их через кость и имплантировали непосредственно в мышцы, которые отвечают за движение недостающей конечности. Авторы исследования подчёркивают, что их эксперимент был весьма смелым, так как прежде внутримышечные электроды использовались только в экспериментах на животных и в краткосрочных клинических испытаниях.
Счастливым обладателем новой системы контроля за собственными искусственными конечностями стал водитель грузовика по имени Магнус N, которые использует технологию с вживлённым электродом с 2013 года и пока не собирается от неё избавляться.
"Мой протез подчиняется мне не хуже настоящей руки. Моя предыдущая искусственная конечность с накожными датчиками куда хуже поддавалась контролю, особенно на холоде. К тому же, новым устройством оказалось в пять раз легче управлять", — делится впечатлениями пациент в пресс-релизе.
Помимо вживления электродов в мышцы, исследователи также обернули электрод вокруг нерва ампутированных конечностей пациентов. Этот элемент позволит интегрировать в протез и систему тактильной обратной связи. Но перед этим Ортису Каталану и его коллегам ещё предстоит ознакомиться с результатами работы команды Тайлера.
