En kunstig hånd med rigtige følelser

Der har været bemærkelsesværdige mekaniske fremskridt inden for protetiske lemmer i de senere år, herunder omledning af nervefibre for at kontrollere sofistikerede mekaniske arme (se A Lifelike Prosthetic Arm), og hjernegrænseflader, der muliggør kompliceret tankekontrol (se Hjernen hjælper Quadriplegics med at bevæge robotarme med deres tanker ). Men på trods af alle disse fremskridt kan protetiske lemmer ikke sende sensorisk information tilbage til bæreren, hvilket gør det sværere for dem at udføre opgaver som at samle genstande op uden at knuse dem eller miste deres greb.





håndprotese

Berøringsgrænseflade : En ny slags nervegrænseflade giver bæreren, Igor Spetic, en følelse af berøring ved 20 pletter på sin håndprotese.

Nu har forskere ved Cleveland Veterans Affairs Medical Center og Case Western Reserve University udviklet en ny form for grænseflade, der kan formidle en følelse af berøring fra 20 pletter på en håndprotese. Det gør den ved direkte at stimulere nervebundter - kendt som perifere nerver - i armene på patienter; to personer er indtil videre blevet udstyret med grænsefladen. Desuden fortsætter implantaterne med at virke efter 18 måneder, en bemærkelsesværdig milepæl i betragtning af, at elektriske grænseflader til nervevæv gradvist kan forringes i ydeevne.

TIL video fremstillet for flere uger siden viser en 48-årig mand fra Ohio, der mistede sin højre hånd i en ulykke for tre år siden, ved at bruge sin håndprotese til at samle og fjerne stilke fra kirsebær uden at knuse dem af overdreven klemning. Dette var takket være den nye teknologi, som gjorde det muligt for kraftdetektorer på cifrene i hans håndprotese at formidle berøringsinformation direkte til tre nervegrænseflader på størrelse med ærter, kirurgisk implanteret i hans nederste højre arm. Han styrer hånden gennem en standardteknologi kaldet en myoelektrisk interface, som bruger signaler fra musklerne i hans underarm til at styre håndprotesebevægelser.



Arbejdet åbner muligheden for, at protetiske lemmer en dag kan give varig og nuanceret feedback til mennesker, siger Dustin Tyler , Case Western-professoren bag projektet.

Lee Miller , en professor i neurovidenskab ved Northwestern University, som ikke var involveret i forskningen, siger, at præstationen virker bemærkelsesværdig. Dette er det største antal forskellige berøringsfornemmelser genereret af perifer nervestimulation, som jeg kender til, og den 18 måneder lange stabilitet er også uovertruffen, siger Miller. Et papir om arbejdet er ved at blive udarbejdet, siger Tyler.

Nervecenter : Denne syv millimeter lange enhed, kaldet en manchetelektrode, kan formidle følelser fra sensorer på en håndprotese eller fingre, når den er fastgjort til en perifer nerve i armstumpen.



Kernen i teknologien er en brugerdefineret version af en grænseflade kendt som en manchetelektrode. Tre nervebundter i armen - radial, median og ulnar - holdes i de syv millimeter manchetter, som forsigtigt flader dem ud, hvilket sætter de normalt runde bundter i en mere rektangulær konfiguration for at maksimere overfladearealet.

Så leverer i alt 20 elektroder på de tre manchetter elektriske signaler til nervefibre kaldet axoner udefra en beskyttende kappe af levende celler, der omgiver disse nervefibre. Denne tilgang adskiller sig fra andre eksperimentelle teknologier, som trænger ind i kappen for direkte at berøre axonerne. Disse sheath-penetrerende grænseflader menes at tilbyde højere opløsning, i det mindste i begyndelsen, men med en potentielt højere risiko for signalnedbrydning eller nerveskade på lang sigt. Og de er altså ikke blevet testet i længere tid end et par uger.

Den kirsebær-gribende testperson er Igor Spetic fra Madison, Ohio. Han mistede sin hånd på sit arbejde, da den blev knust i en smedehammer, mens han lavede et aluminiumsbeslag til en jetmotor. Nu har han fået to små ledningsnet, der stikker ud fra en port i hans øverste højre arm. I laboratoriet forbinder Tyler disse seler til en enhed, der genererer de elektriske signaler, der sendes til manchetten. Denne enhed modtager til gengæld udløsende information fra sensorer på hans håndprotese.



Hans sensoriske feedback er kun blevet følt i laboratoriet indtil videre, men Spetic bekender sig forbløffet over hans unikke forsøg. Det er virkelig spændende at se, hvad de laver, og jeg håber, det kan hjælpe andre mennesker, siger Spetic. Jeg ved, at videnskab tager lang tid. Hvis jeg ikke får noget med hjem, men den næste person gør, er det hele til det bedre.

Forskere placerer forsigtigt implantaterne for at afgøre, hvor Spetic opfatter kræfter på sit manglende lem. Når den er installeret, kan Spetic registrere fornemmelser på flere fingre og på bagsiden og siden af ​​sin manglende hånd, svarende til input fra protesen. Når først implantatet er på plads, ser fornemmelserne altid ud til at opstå på de samme steder og flytter sig ikke rundt, siger Spetic.

Tyler kan tune de elektriske signaler, der sendes til manchetten, for at frembringe en række forskellige fornemmelser. Spetic siger, at nogle gange føles det som om han rører et kugleleje, andre gange som om han børster mod vatkugler, sandpapir eller hår.



Tyler siger, at fornemmelserne, som Spetic rapporterer, er mere naturlige og nyttige end den vage summende følelse, som tidligere eksperimentelle teknologier ofte havde frembragt. Det betyder, at det kan være muligt at tilpasse en fornemmelse, så patienten føler, at han f.eks. rører ved et punkt på en kuglepen. Andre grupper og virksomheder arbejder på bedre kraftdetektorer til at fastgøre til en håndprotese og generere sådanne nuancerede signaler.

[Den] forskning er virkelig banebrydende og førende i verden med hensyn til at give direkte sensorisk feedback til amputerede, siger Jack Judy, direktør for Nanovidenskabsinstituttet for Medicinsk og Ingeniørteknologi ved University of Florida i Gainesville. Judy tjente for nylig som programleder for Defense Advanced Research Projects Agency, hvor han drev en program som forsøgte at forbedre ydeevnen og pålideligheden af ​​neurale grænseflader, der bruges til at kontrollere protetiske lemmer for soldatamputerede. Mindst 1.715 soldater blev amputeret i krigene i Irak og Afghanistan.

Andre eksisterende teknologier giver sensoriske input direkte til nerver. Cochleaimplantater stimulerer for eksempel hørenerven til at genoprette hørelsen, og teknologier til stimulering af vagusnerven - som løber fra hjernestammen til brystet og maven - kan bruges til at behandle epilepsi og endda depression. Men når det kommer til at stimulere nerver til at give en effektiv følesans hos mennesker, har der været langt mindre fremskridt, siger Judy.

Der er andre tilgange til sensorisk feedback, herunder bestræbelser på at gøre dette direkte gennem hjerneimplantater (se Give proteser en følelse af berøring). Men hjerneimplantater betragtes som længere væk på grund af de øgede sikkerhedsbekymringer fra at åbne kraniet. Case Western-arbejdet er i et pilotforsøg, og Tyler siger, at hvis alt går vel, kan en enhed være på markedet om fem til 10 år.

skjule