Forscher entwickeln gehirnbetriebene Prothesen für Amputierte

„Wir konnten die erste vollständig neuronale Kontrolle des bionischen Gehens zeigen“, sagte Hyunkyun Chang, Erstautor der Studie und Postdoktorand am MIT.

Die meisten fortschrittlichen bionischen Prothesen basieren auf vorprogrammierten Roboterbefehlen statt auf den Gehirnsignalen des Benutzers. Fortschrittliche Robotertechnologien können die Umgebung erfassen und wiederholt vordefinierte Beinbewegungen ausführen, um einer Person bei der Navigation in diesem Gelände zu helfen.

Viele dieser Roboter funktionieren jedoch am besten auf unebenen Oberflächen und haben Schwierigkeiten, häufige Hindernisse wie Unebenheiten oder Pfützen zu überwinden. Wenn die Prothese in Bewegung ist, insbesondere als Reaktion auf plötzliche Geländeveränderungen, hat der Prothesenträger bei der Anpassung der Prothese oft wenig zu sagen.

„Wenn ich gehe, sendet ein Algorithmus Befehle an einen Motor, sodass es sich anfühlt, als würde ich gehen, aber das tue ich nicht“, sagte Hugh Herr, der Hauptforscher der Studie und Professor für Medienkunst und -wissenschaften am MIT. Ein Pionier auf dem Gebiet der Biomechatronik, einem Gebiet, das Biologie mit Elektronik und Mechanik verbindet. Herrs Beine wurden vor einigen Jahren aufgrund von Erfrierungen unterhalb des Knies amputiert und er verwendet fortschrittliche Roboterprothesen.

„Es gibt immer mehr Beweise [showing] „Wenn man das Gehirn mit einer mechatronischen Prothese verbindet, entsteht eine Metapher, bei der eine Person die Prothese als natürliche Erweiterung ihres Körpers betrachtet“, sagte Herr.

Die Autoren arbeiteten mit 14 Studienteilnehmern, von denen die Hälfte eine Amputation unterhalb des Knies durch einen Ansatz namens Agonist-Antagonist Myoneural Interface (AMI) erlitt, während die andere Hälfte traditionelle Amputationen durchlief.

„Das wirklich Coole daran ist, wie es die chirurgische Innovation durch technologische Innovation verbessert“, sagte Conor Walsh, Professor an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences, der sich auf die Entwicklung tragbarer Assistenzroboter spezialisiert hat und nicht an der Studie beteiligt war.

Die AMI-Amputation wurde entwickelt, um die Einschränkungen der herkömmlichen Amputationschirurgie zu überwinden, bei der kritische Muskelansätze an der Amputationsstelle durchtrennt werden.

Bewegungen werden durch die Bewegung in Muskelpaaren ermöglicht. Ein Muskel – der sogenannte Agonist – zieht sich zusammen, um ein Gelenk zu bewegen, und der andere – der sogenannte Antagonist – verlängert sich als Reaktion darauf. Bei einem Bizepscurl zum Beispiel ist der Bizepsmuskel der Agonist, weil er sich zusammenzieht, um den Unterarm anzuheben, während der Trizepsmuskel der Antagonist ist, weil er die Bewegung aktiviert.

Wenn bei einer Operation die amputierten Muskelpaare durchtrennt werden, ist die Fähigkeit des Patienten, postoperative Muskelkontraktionen zu spüren, beeinträchtigt, wodurch seine Fähigkeit beeinträchtigt wird, genau und gut zu erkennen, wo sich seine Prothese im Raum befindet.

Im Gegensatz dazu werden beim AMI-Verfahren die Muskeln im verbleibenden Gelenk wieder befestigt.

„Diese Studie ist Teil einer Bewegung hin zu synthetischen Technologien der nächsten Generation“, sagte Eric Rombokas, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Washington, der nicht an der Studie beteiligt war.

Eine Amputation unterhalb des Knies wird als AMI-Eingriff bezeichnet Ewing-Amputation Im Jahr 2016 war er der erste Mensch seit Jim Ewing, der den Eingriff erhielt.

Patienten, die sich einer Ewing-Amputation unterzogen, erlebten weniger Muskelschwund in ihren überlebenden Gliedmaßen und weniger Phantomschmerzen, das Gefühl, Unbehagen in einer Gliedmaße zu verspüren, die nicht mehr existiert.

Die Forscher statten alle Teilnehmer mit einem neuartigen bionischen Gelenk aus, das aus einem künstlichen Knöchel besteht, einem Gerät, das Muskelbewegungen und elektrische Aktivität über auf der Hautoberfläche angebrachte Elektroden misst.

Das Gehirn sendet elektrische Impulse an die Muskeln und veranlasst diese, sich zusammenzuziehen. Die Kontraktionen erzeugen eigene elektrische Signale, die von Elektroden erfasst und an winzige Computer im Inneren der Prothese gesendet werden. Computer wandeln diese elektrischen Signale in Strom und Bewegung für den Satelliten um.

Studienteilnehmerin Amy Pietrafitta, die nach schweren Verbrennungen eine Ewing-Amputation erlitten hatte, sagte, das bionische Gelenk habe ihr die Fähigkeit gegeben, beide Beine zu zeigen und wieder Tanzbewegungen auszuführen.

„Es ist sehr real, diese Art von Flexibilität zu haben“, sagte Pietrafitta. „Es fühlte sich an, als wäre alles da.“

Dank ihrer verbesserten Muskelsinne konnten Teilnehmer mit Ewing-Amputationen ihre bionischen Gliedmaßen nutzen, um schneller und mit einem natürlicheren Gang zu gehen als herkömmliche Amputierte.

Wenn eine Person vom normalen Gehmuster abweichen muss, muss sie sich möglicherweise mehr anstrengen, um sich fortzubewegen.

„Dieser Energieverbrauch … lässt unser Herz härter arbeiten und unsere Lungen härter arbeiten … und es kann zu einer allmählichen Zerstörung unserer Hüftgelenke oder unserer unteren Wirbelsäule führen“, sagt Matthew J., ein rekonstruktiver plastischer Chirurg bei Brigham and Women’s Krankenhaus. sagte Cardi. und war der erste Arzt, der den AMI-Eingriff durchführte.

Patienten, die eine Ewing-Amputation und eine neue Prothese erhielten, konnten problemlos Rampen und Treppen überwinden. Sie passten ihre Füße stetig an, um sich von der Treppe abzustoßen und den Stoß des Abstiegs aufzufangen.

Die Forscher hoffen, die neuartige Prothese innerhalb der nächsten fünf Jahre kommerziell verfügbar zu machen.

„Wir fangen an, einen Blick auf diese verherrlichte Zukunft zu werfen, in der ein Mensch einen großen Teil seines Körpers verlieren kann und über die Technologie verfügt, diesen Teil seines Körpers wiederherzustellen, damit er wieder voll funktionsfähig ist“, sagte Herr.